A termodynamikens andra lag dikterar vilka förutsättningar som finns för värme omvandlas till arbete i värmemotorer och kylskåp. Den tar också upp definitionen av entropi som ett fenomen som kan mäta desorganiseringen av partiklar i fysiska system.
Läs också: Kalorimetri — den gren av fysiken som studerar värmeväxling
Ämnen i denna artikel
- 1 - Sammanfattning av termodynamikens andra lag
- 2 - Vilken är termodynamikens andra lag?
-
3 - Tillämpningar av termodynamikens andra lag
- Termodynamikens andra lag i värmemotorer
- Termodynamikens andra lag i kylskåp
- 4 - Entropi och termodynamikens andra lag
-
5 - Formler för termodynamikens andra lag
- Termiska maskiner och kylskåp
- Kylskåp
- Exempel på tillämpning av formler
- 6 - Carnot-cykel
- 7 - Termodynamikens lagar
- 8 - Lösta övningar om termodynamikens andra lag
Sammanfattning av termodynamikens andra lag
Termodynamikens andra lag representeras av Clausius- och Kelvin-Planck-påståendena.
Clausius uttalande handlar om värmeflödet från den varmare kroppen till den kallare kroppen.
Kelvin-Planck uttalandet tar upp oförmågan hos termiska enheter att omvandla all sin värme till arbete.
Termodynamikens andra lag tillämpas på värmemotorer och kylskåp.
Carnot-cykeln är den maximala effektivitetscykeln som erhålls av värmemotorer.
Carnot-cykeln har fyra steg, en reversibel isotermisk expansion, en reversibel adiabatisk expansion, en reversibel isotermisk kompression och en reversibel adiabatisk kompression.
Carnots sats hänvisar till utbytet av Carnot maskiner.
Vad är termodynamikens andra lag?
Termodynamikens andra lag är a lag som tar upp de begränsningar som uppstår i termodynamiska processer. Det uttalades av fysikerna Rudolf Clausius (1822-1888), Lord Kelvin (1824-1907) och Max Planck (1858-1947), som vi kommer att se nedan:
Fysikern och matematikern Rudolf Clausius konstaterade att ledningsflödet av värme sker från kroppen med högre temperatur till kroppen med lägre temperatur. lägre temperatur, därför är det inte naturligt att den omvända processen inträffar, därför är det nödvändigt att utföra arbete på detta systemet. Med det sa han:
Det är omöjligt att genomföra en process vars enda effekt är att överföra värme från en kallare kropp till en varmare kropp.|1|
Den matematiske fysikern William Thomson, känd som Lord Kelvin, tillsammans med bidragen från fysikern Max Planck, angav omöjligheten att termiska enheter har en verkningsgrad på 100 %, eftersom det alltid kommer att finnas värmeförlust.
Sluta inte nu... Det kommer mer efter publiciteten ;)
Tillämpningar av termodynamikens andra lag
Termodynamikens andra lag tillämpas på värmemotorer och kylskåp.
Termodynamikens andra lag i maskiner termisk
Till Termiska maskiner kan omvandla värme till arbete. En varmkälla tillför värme till värmemotorn, vilket gör den till arbete. Resten av värmen skickar den till den kalla källan, som avbildas på bilden nedan:
Några exempel på termiska maskiner är: ång- och fotogenturbiner i jetplan, förbränningsmotorer, termonukleära reaktorer.
Termodynamikens andra lag i kylskåp
Kylskåp är maskiner som De fungerar på motsatt sätt för att värma motorer., där de tar bort värme från en region med temperatur lägre temperatur och leverera den till en region med högre temperatur. Eftersom detta inte är naturligt är det nödvändigt för maskinen att utföra arbete med elektrisk energi, som beskrivs i bilden nedan:
Några exempel på kylskåp är kylskåp och luftkonditionering.
Entropi och termodynamikens andra lag
A termodynamikens andra lag föreslår existensen av entropi, ett fysisk kvantitet ansvarig för att mäta graden av desorganisering av partiklar i ett fysiskt system eller graden av irreversibilitet hos termodynamiska processer involverade i värmemotorer, är en spontan, oundviklig, irreversibel och expansiv. Med detta är det bara möjligt att observera och innehålla graden av volatilitet i processerna. När entropin ökar ökar också graden av oordning i systemet.
A Entropinomenklaturen är av grekiskt ursprung och betyder "förvandling"., "förändring", som alltså används i Fysisk för att indikera slumpmässighet och oordning. Entropi kan beräknas med formeln:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) är entropiförändringen, mätt i [J/K].
\(∆U\) är förändringen i intern energi, mätt i Joule [J].
T är temperaturen, mätt i Kelvin [K].
Ur statistisk synvinkel beräknas entropin med formeln:
\(S=k\cdot ln\ Ω\)
S är entropin, mätt i [J/K].
k är Boltzmann-konstanten, den är värd \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω är antalet möjliga mikrotillstånd för systemet.
Läs också: Värmeutbredningsprocesser
Formler för termodynamikens andra lag
Termiska maskiner och kylskåp
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) är värmekällans värme, mätt i Joule [J].
W är det arbete som utförs av värmemotorn, mätt i Joule [J].
\(Q_F\) är värmen från den kalla källan, mätt i Joule [J].
Det kan representeras av:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W är det arbete som utförs av värmemotorn, mätt i Joule [J].
\(Q_Q\) är värmekällans värme, mätt i Joule [J].
\(Q_F\) är värmen från den kalla källan, mätt i Joule [J].
Kylskåp
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) är effektiviteten i kylskåpet.
\(Q_F\) är värmen från den kalla källan, mätt i Joule [J].
\(Q_Q\) är värmekällans värme, mätt i Joule [J].
Det kan representeras som:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) är effektiviteten i kylskåpet.
\(Q_F\) är värmen från den kalla källan, mätt i Joule [J].
W är det arbete som utförs av värmemotorn, mätt i Joule [J].
Exempel tillämpning av formler
Exempel 1: Beräkna det arbete som en värmemotor gör under en cykel som tar emot 500 J värme från den varma källan och överför endast 400 J värme till den kalla källan.
För att beräkna arbetet med en värmemotor använder vi formeln:
\(W=Q_Q-Q_F\)
Ersätter värdena som anges i uttalandet:
\(W=500-400\)
\(W=100\ J\)
Värmemotorns arbete var 100 joule.
Exempel 2: Vilken effektivitet har ett kylskåp som tar emot 150 J värme från den varma källan och överför 50 J värme till den kalla källan?
För att beräkna effektiviteten hos ett kylskåp använder vi formeln:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Genom att ersätta de värden som anges i uttalandet får vi:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
Multiplicera avkastningen med 100 %:
\(η=0,5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
Kylskåpet har 50 % verkningsgrad.
Carnot cykel
Carnot-cykeln var utvecklad av vetenskapsmannen Sadi Carnot (1796-1832), med syftet att identifiera den maximala effektivitet som kan uppnås av en termisk motor som arbetar mellan en varm källa och en kall källa.
Baserat på sina studier identifierade Carnot att det är det för att få maximal effektivitet från en värmemotor nödvändigt för att hans process ska vara reversibel, så han utvecklade den maximala avkastningscykeln som kallas cykeln av Carnot och Värmemotorn som arbetar genom den kallas en Carnot värmemotor.. Eftersom Carnot-cykeln är reversibel kan den vändas, vilket är hur kylskåp utvecklades.
Carnot-cykeln, oavsett vilket ämne som används, är sammansatt av fyra processer som beskrivs i grafen för tryck i volym (p×V), som vi kan se i bilden nedan:
Första processen, från punkt 1 → 2: det finns en reversibel isotermisk expansion (process där temperaturen förblir konstant), där gasen (eller systemet) fungerar och får en mängd värme från den heta källan.
2:a processen, från punkt 2 → 3: det finns en adiabatisk expansion (process där det sker värmeväxling med den yttre miljön) reversibel, där det inte sker något värmeväxling värme med termiska källor, men gasen fungerar och det sker en minskning av dess inre energi, vilket orsakar en minskning av temperatur.
3:e processen, från punkt 3 → 4: en reversibel isotermisk kompression uppstår, där gasen får arbete och avger en mängd värme till den kalla källan.
4:e processen, från punkt 4 → 1: en reversibel adibatisk kompression uppstår, där ingen värmeväxling med de termiska källorna sker och gasen upphettas tills den når temperaturen hos den varma källan, och därmed placeras i kontakt med den, vilket slutar cykel.
termodynamikens lagar
Termodynamikens lagar är fyra lagar som styr hela studiet av termodynamik, studera sambanden mellan volym, temperatur och tryck och andra fysiska storheter, såsom värme och energi.
Termodynamikens nolllag: är lagen om termisk balans, den studerar värmeutbytet mellan kroppar som har olika temperaturer.
termodynamikens första lag: är lagen för bevarande av energi i termodynamiska system, den studerar omvandlingen av värme till arbete och/eller intern energi.
Termodynamikens andra lag: det är lagen som handlar om värmemotorer, kylskåp och entropi.
Termodynamikens tredje lag: är lagen om absolut noll, studerar hon effekterna av denna temperatur.
Läs också: Prestanda för värmemotorer
Lösta övningar om termodynamikens andra lag
fråga 1 Bestäm temperaturen på den varma källan i en Carnot-motor, med vetskapen om att temperaturen på den kalla källan är 450 K och dess effektivitet är 80 %.
a) 2250 K
b) 450K
c) 1500K
d) 900K
e) 3640 K
Upplösning:
Alternativ A. Vi kommer att beräkna temperaturen på den varma källan baserat på effektivitetsformeln för en Carnot-motor:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ K\)
fråga 2 (Cefet-PR) Termodynamikens 2:a princip kan uttryckas på följande sätt: ”Det är omöjligt att bygga en maskin termisk energi som arbetar i cykler, vars enda effekt är att ta bort värme från en källa och omvandla den integrerat till arbete". I förlängningen leder denna princip oss till slutsatsen att:
a) Det är alltid möjligt att bygga termomaskiner vars verkningsgrad är 100 %.
b) alla värmemotorer behöver bara en värmekälla.
c) värme och arbete är inte homogena mängder.
d) vilken värmemotor som helst drar värme från en varm källa och avvisar en del av den värmen till en kall källa.
e) endast med en kall källa, alltid hållen vid 0 °C, skulle det vara möjligt för en viss värmemotor att omvandla värme helt till arbete.
Upplösning:
Alternativ D. Denna princip informerar oss om att det är omöjligt att ta bort all värme från den varma källan och överföra den till den kalla källan.
Notera
|1| Grundkurs i fysik: Fluids, Oscillations and Waves, Heat (vol. 2).
Av Pamella Raphaella Melo
Fysikalärare
Entropin i ett system är inget annat än måttet på dess grad av desorganisering. Det är möjligt att formulera den andra lagen utifrån begreppet entropi.
Upptäck den fascinerande historien om värmemotorer och deras huvudsakliga användningsområden.
Vet du vad termiska maskiner, termodynamiska cykler och effektivitet är? Lär dig mer om dessa viktiga termodynamiska koncept.
Gå till texten och lär dig definitionen av termodynamikens första lag, se vilka formler som används av denna lag och kolla in lösta övningar i ämnet.
Isotermisk, isovolumetrisk och adiabatisk transformation. Träffa dem!
Vet du vad termodynamik är? Gå till texten för att ta reda på vilka som är de viktigaste begreppen i ämnet, lär dig om termodynamikens lagar.
