ก กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ กำหนดเงื่อนไขที่มีอยู่สำหรับ ความร้อน เปลี่ยนเป็นงานในเครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น นอกจากนี้ยังกล่าวถึงคำจำกัดความของ เอนโทรปี เป็นปรากฏการณ์ที่สามารถวัดความไม่เป็นระเบียบของอนุภาคในระบบทางกายภาพ
อ่านด้วย: Calorimetry — สาขาฟิสิกส์ที่ศึกษาการแลกเปลี่ยนความร้อน
สรุปกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์แสดงโดยคำสั่งของคลอสเซียสและเคลวิน-พลังค์
คำสั่งของคลอสเซียสเกี่ยวข้องกับการไหลของความร้อนจากร่างกายที่ร้อนกว่าไปยังร่างกายที่เย็นกว่า
ถ้อยแถลงของเคลวิน-พลังค์กล่าวถึงการที่อุปกรณ์ระบายความร้อนไม่สามารถแปลงความร้อนทั้งหมดเข้าไปได้ งาน.
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ถูกนำไปใช้กับเครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น
วัฏจักรการ์โนต์เป็นวัฏจักรประสิทธิภาพสูงสุดที่ได้จากเครื่องยนต์ความร้อน
วัฏจักรการ์โนต์มีสี่ขั้นตอน การขยายตัวแบบไอโซเทอร์มัลแบบย้อนกลับได้ การขยายตัวแบบอะเดียแบติกแบบย้อนกลับ การบีบอัดแบบอะเดียแบติกแบบย้อนกลับได้ และการบีบอัดแบบอะเดียแบติกแบบย้อนกลับ
ทฤษฎีบทของ Carnot หมายถึงผลผลิตของ เครื่องการ์โนต์.
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์คืออะไร?
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์คือ
กฎหมายที่ระบุถึงข้อจำกัดที่เกิดขึ้นในกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์. มันถูกประกาศโดยนักฟิสิกส์ Rudolf Clausius (1822-1888), Lord Kelvin (1824-1907) และ Max Planck (1858-1947) ดังที่เราจะได้เห็นด้านล่าง:นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ รูดอล์ฟ คลอสเซียส ระบุว่ากระแสการนำความร้อนเกิดขึ้นจากร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า อุณหภูมิที่ต่ำกว่า ดังนั้นจึงไม่เป็นธรรมชาติที่กระบวนการผกผันจะเกิดขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องดำเนินการในเรื่องนี้ ระบบ. โดยเขากล่าวว่า:
เป็นไปไม่ได้ที่จะดำเนินกระบวนการที่มีผลกระทบเพียงอย่างเดียวคือการถ่ายเทความร้อนจากร่างกายที่เย็นกว่าไปยังร่างกายที่ร้อนกว่า|1|
วิลเลียม ทอมสัน นักฟิสิกส์คณิตศาสตร์ หรือที่รู้จักในชื่อลอร์ดเคลวิน ร่วมกับผลงานของนักฟิสิกส์มักซ์ พลังค์ ระบุว่าเป็นไปไม่ได้ที่อุปกรณ์ระบายความร้อนจะมีประสิทธิภาพ 100%เนื่องจากจะมีการสูญเสียความร้อนอยู่เสมอ
การประยุกต์ใช้กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ถูกนำไปใช้กับเครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในเครื่องจักร ระบายความร้อน
ถึง เครื่องเทอร์มอล สามารถเปลี่ยนความร้อนให้เป็นงานได้ แหล่งความร้อนจ่ายความร้อนให้กับเครื่องยนต์ความร้อน ซึ่งทำให้มันกลายเป็นงาน ความร้อนที่เหลือจะส่งไปยังแหล่งความเย็นดังที่แสดงในภาพด้านล่าง:
ตัวอย่างของเครื่องจักรความร้อน ได้แก่ กังหันไอน้ำและน้ำมันก๊าดในเครื่องบินไอพ่น เครื่องยนต์สันดาป เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัส
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในตู้เย็น
ตู้เย็นเป็นเครื่องที่ พวกมันทำงานตรงกันข้ามกับเครื่องยนต์ความร้อนที่พวกเขาเอาความร้อนออกจากพื้นที่ด้วย อุณหภูมิ อุณหภูมิที่ต่ำกว่าและจ่ายไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากสิ่งนี้ไม่เป็นธรรมชาติ เครื่องจักรจึงจำเป็นต้องทำงานโดยใช้พลังงานไฟฟ้า ดังที่อธิบายไว้ในภาพด้านล่าง:
ตัวอย่างของตู้เย็น ได้แก่ ตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศ
เอนโทรปีและกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
ก กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เสนอการมีอยู่ของเอนโทรปี, หนึ่ง ปริมาณทางกายภาพ รับผิดชอบในการวัดระดับความระส่ำระสายของอนุภาคในระบบทางกายภาพหรือระดับการย้อนกลับไม่ได้ กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับเครื่องยนต์ความร้อน เกิดขึ้นเอง หลีกเลี่ยงไม่ได้ ย้อนกลับไม่ได้ และ กว้างขวาง ด้วยเหตุนี้จึงเป็นไปได้ที่จะสังเกตและจำกัดระดับความผันผวนของกระบวนการเท่านั้น เมื่อเอนโทรปีเพิ่มขึ้น ระดับของความผิดปกติในระบบก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน
ก ระบบการตั้งชื่อเอนโทรปีมีต้นกำเนิดจากภาษากรีกและแปลว่า "การเปลี่ยนแปลง", “เปลี่ยนแปลง” จึงใช้ใน ทางกายภาพ เพื่อบ่งบอกถึงความสุ่มเสี่ยงและความไม่เป็นระเบียบ สามารถคำนวณเอนโทรปีโดยใช้สูตร:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) คือการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี หน่วยวัดเป็น [J/K]
\(∆U\) คือการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในหน่วยวัดเป็นจูล [J]
T คืออุณหภูมิ วัดเป็นเคลวิน [K]
จากมุมมองทางสถิติ เอนโทรปีคำนวณโดยสูตร:
\(S=k\cdot ln\ Ω\)
S คือเอนโทรปี วัดเป็น [J/K]
k คือค่าคงที่ของ Boltzmann ซึ่งมีค่า \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω คือจำนวนไมโครสเตตที่เป็นไปได้สำหรับระบบ
อ่านด้วย: กระบวนการแพร่ความร้อน
สูตรของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
เครื่องทำความร้อนและตู้เย็น
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(คิว_คิว\) คือความร้อนของแหล่งกำเนิดร้อน หน่วยวัดเป็นจูล [J]
W เป็นงานที่ทำโดยเครื่องยนต์ความร้อน วัดเป็นจูล [J]
\(Q_F\) คือความร้อนจากแหล่งความเย็น หน่วยวัดเป็น Joules [J]
สามารถแสดงโดย:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W เป็นงานที่ทำโดยเครื่องยนต์ความร้อน วัดเป็นจูล [J]
\(คิว_คิว\) คือความร้อนของแหล่งกำเนิดร้อน หน่วยวัดเป็นจูล [J]
\(Q_F\) คือความร้อนจากแหล่งความเย็น หน่วยวัดเป็น Joules [J]
ตู้เย็น
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) คือประสิทธิภาพของตู้เย็น
\(Q_F\) คือความร้อนจากแหล่งความเย็น หน่วยวัดเป็น Joules [J]
\(คิว_คิว\) คือความร้อนของแหล่งกำเนิดร้อน หน่วยวัดเป็นจูล [J]
สามารถแสดงเป็น:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) คือประสิทธิภาพของตู้เย็น
\(Q_F\) คือความร้อนจากแหล่งความเย็น หน่วยวัดเป็น Joules [J]
W เป็นงานที่ทำโดยเครื่องยนต์ความร้อน วัดเป็นจูล [J]
ตัวอย่าง ของการประยุกต์ใช้สูตร
ตัวอย่างที่ 1: คำนวณงานที่เครื่องยนต์ความร้อนทำระหว่างรอบที่ได้รับความร้อน 500 J จากแหล่งความร้อนและถ่ายเทความร้อนเพียง 400 J ไปยังแหล่งความเย็น
ในการคำนวณการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน เราจะใช้สูตร:
\(W=Q_Q-Q_F\)
แทนค่าที่ระบุในคำสั่ง:
\(W=500-400\)
\(W=100\ เจ\)
การทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนคือ 100 จูล
ตัวอย่างที่ 2: ตู้เย็นที่รับความร้อน 150 J จากแหล่งความร้อนและถ่ายเทความร้อน 50 J ไปยังแหล่งเย็นมีประสิทธิภาพเท่าใด
ในการคำนวณประสิทธิภาพของตู้เย็น เราจะใช้สูตร:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
แทนค่าที่กำหนดในคำสั่ง เราได้รับ:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
คูณผลตอบแทน 100%:
\(η=0.5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
ตู้เย็นมีประสิทธิภาพ 50%
คาร์โนต์ไซเคิล
วัฏจักรการ์โนต์คือ พัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ Sadi Carnot (1796-1832)โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อระบุประสิทธิภาพสูงสุดที่สามารถเข้าถึงได้โดยกลไกความร้อนที่ทำงานระหว่างแหล่งร้อนและแหล่งเย็น
จากการศึกษาของเขา Carnot ระบุว่าเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดจากเครื่องยนต์ความร้อนนั้นก็คือ จำเป็นสำหรับกระบวนการของเขาที่จะย้อนกลับได้ ดังนั้นเขาจึงพัฒนาวงจรผลผลิตสูงสุดที่เรียกว่าวงจรของ การ์โนต์ และ เครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานผ่านมันเรียกว่าเครื่องยนต์ความร้อน Carnot. เนื่องจากวัฏจักรการ์โนต์สามารถย้อนกลับได้ จึงสามารถย้อนกลับได้ ซึ่งเป็นวิธีพัฒนาตู้เย็น
วัฏจักรการ์โนต์ โดยไม่คำนึงถึงสารที่ใช้ ประกอบด้วยสี่กระบวนการที่อธิบายไว้ในกราฟของความดันโดยปริมาตร (p×V) ดังที่เราเห็นในภาพด้านล่าง:
กระบวนการที่ 1 จากจุดที่ 1 → 2: มีการขยายตัวแบบไอโซเทอร์มอลแบบผันกลับได้ (กระบวนการที่อุณหภูมิคงที่) ซึ่งก๊าซ (หรือระบบ) ทำงานและได้รับความร้อนจำนวนหนึ่งจากแหล่งความร้อน
กระบวนการที่ 2 จากจุดที่ 2 → 3: มีการขยายตัวแบบอะเดียแบติก (กระบวนการที่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสภาพแวดล้อมภายนอก) ย้อนกลับได้ ซึ่งไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน ให้ความร้อนกับแหล่งความร้อน แต่ก๊าซทำงาน และมีพลังงานภายในลดลง ทำให้พลังงานภายในลดลง อุณหภูมิ.
กระบวนการที่ 3 จากจุดที่ 3 → 4: การบีบอัดความร้อนแบบย้อนกลับเกิดขึ้นซึ่งก๊าซได้รับงานและให้ความร้อนแก่แหล่งความเย็น
กระบวนการที่ 4 จากจุดที่ 4 → 1: เกิดการบีบอัดแบบอะดิบาติกแบบผันกลับได้ ซึ่งไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับแหล่งความร้อนเกิดขึ้นและก๊าซจะอยู่ อุ่นจนกระทั่งถึงอุณหภูมิของแหล่งความร้อนและสัมผัสกับมัน สิ้นสุด รอบ
กฎของอุณหพลศาสตร์
กฎของอุณหพลศาสตร์เป็นกฎสี่ข้อที่ควบคุมการศึกษาทั้งหมด อุณหพลศาสตร์ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร อุณหภูมิ และความดัน กับปริมาณทางกายภาพอื่นๆ เช่น ความร้อนและพลังงาน
กฎศูนย์ของอุณหพลศาสตร์: เป็นกฎหมายของ สมดุลความร้อนศึกษาการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างร่างกายที่มีอุณหภูมิต่างกัน
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์: เป็นกฎการอนุรักษ์พลังงานในระบบอุณหพลศาสตร์ ศึกษาการเปลี่ยนแปลงของความร้อนเป็นงานและ/หรือพลังงานภายใน
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์: เป็นกฎหมายที่เกี่ยวข้องกับเครื่องยนต์ความร้อน ตู้เย็น และเอนโทรปี
กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์: เป็นกฎหมายของ ศูนย์สัมบูรณ์เธอศึกษาผลกระทบของอุณหภูมินี้
อ่านด้วย: ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน
แบบฝึกหัดเกี่ยวกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
คำถามที่ 1 กำหนดอุณหภูมิของแหล่งความร้อนของเครื่องยนต์ Carnot โดยรู้ว่าอุณหภูมิของแหล่งความเย็นคือ 450 K และประสิทธิภาพของมันคือ 80%
ก) 2250K
ข) 450K
ค) 1,500K
ง) 900K
จ) 3640K
ปณิธาน:
ทางเลือก ก. เราจะคำนวณอุณหภูมิของแหล่งความร้อนตามสูตรประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ Carnot:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ K\)
คำถามที่ 2 (Cefet-PR) หลักการข้อที่ 2 ของอุณหพลศาสตร์สามารถระบุได้ดังนี้: “เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักร พลังงานความร้อนทำงานเป็นวัฏจักร ซึ่งมีผลเพียงอย่างเดียวคือกำจัดความร้อนออกจากแหล่งและแปลงรวมเป็นหนึ่ง งาน". หลักการนี้ทำให้เราสรุปได้ว่า:
ก) เป็นไปได้เสมอที่จะสร้างเครื่องระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ 100%
b) เครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ ต้องการแหล่งความร้อนเพียงแหล่งเดียว
c) ความร้อนและงานไม่ใช่ปริมาณที่เป็นเนื้อเดียวกัน
d) เครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ ดึงความร้อนจากแหล่งที่ร้อนและปฏิเสธส่วนหนึ่งของความร้อนนั้นไปยังแหล่งที่เย็น
e) เฉพาะกับแหล่งความเย็นซึ่งรักษาไว้ที่ 0 °C เสมอ เป็นไปได้หรือไม่ที่เครื่องยนต์ความร้อนบางตัวจะเปลี่ยนความร้อนทั้งหมดเป็นงาน
ปณิธาน:
ทางเลือก D. หลักการนี้แจ้งให้เราทราบว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะนำความร้อนทั้งหมดออกจากแหล่งความร้อนและถ่ายโอนไปยังแหล่งความเย็น
บันทึก
|1| หลักสูตรฟิสิกส์พื้นฐาน: ของไหล การสั่นและคลื่น ความร้อน (เล่ม 2).
โดย Pamella Raphaella Melo
ครูฟิสิกส์
แหล่งที่มา: โรงเรียนบราซิล - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/segunda-lei-da-termodinamica.htm
