А другий закон термодинаміки диктує, які умови існують для тепло бути перетворені на роботу в теплових машинах і холодильниках. У ньому також розглядається визначення ентропія як явище, здатне виміряти дезорганізацію частинок у фізичних системах.
Читайте також: Калориметрія — розділ фізики, що вивчає теплообмін
Теми цієї статті
- 1 - Короткий зміст другого закону термодинаміки
- 2 - Що таке другий закон термодинаміки?
-
3 - Застосування другого закону термодинаміки
- Другий закон термодинаміки теплових двигунів
- Другий закон термодинаміки в холодильниках
- 4 - Ентропія і другий початок термодинаміки
-
5 – Формули другого закону термодинаміки
- Теплові машини і холодильники
- Холодильники
- Приклади застосування формул
- 6 - Цикл Карно
- 7 - Закони термодинаміки
- 8 – Розв’язані вправи з другого закону термодинаміки
Короткий зміст другого закону термодинаміки
Другий закон термодинаміки представлений твердженнями Клаузіуса і Кельвіна-Планка.
Твердження Клаузіуса стосується потоку тепла від більш гарячого тіла до більш холодного.
Твердження Кельвіна-Планка стосується нездатності теплових пристроїв перетворювати все своє тепло в працювати.
Другий закон термодинаміки застосовується до теплових двигунів і холодильників.
Цикл Карно є циклом максимальної ефективності теплових двигунів.
Цикл Карно має чотири стадії: оборотне ізотермічне розширення, оборотне адіабатичне розширення, оборотне ізотермічне стиснення та оборотне адіабатичне стиснення.
Теорема Карно стосується виходу Машини Карно.
Що таке другий закон термодинаміки?
Другий закон термодинаміки а закон, що стосується обмежень, які виникають у термодинамічних процесах. Він був проголошений фізиками Рудольфом Клаузіусом (1822-1888), лордом Кельвіном (1824-1907) і Максом Планком (1858-1947), як ми побачимо нижче:
Фізик і математик Рудольф Клаузіус стверджував, що провідний потік тепла відбувається від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою. нижчої температури, отже, зворотний процес не є природним, тому необхідно проводити роботи над цим система. При цьому він заявив:
Неможливо здійснити процес, єдиним ефектом якого є передача тепла від більш холодного тіла до більш нагрітого.|1|
Фізик-математик Вільям Томсон, відомий як лорд Кельвін, разом із внесками фізика Макса Планка, констатував неможливість теплових пристроїв з ККД 100%, оскільки втрати тепла будуть завжди.
Не зупиняйся зараз... Після розголосу буде більше ;)
Застосування другого закону термодинаміки
Другий закон термодинаміки застосовується до теплових двигунів і холодильників.
Другий закон термодинаміки машин теплові
До Теплові машини здатні перетворювати теплоту в роботу. Гаряче джерело подає тепло до теплового двигуна, який перетворює його в роботу. Решту тепла він посилає до джерела холоду, як показано на зображенні нижче:
Деякі приклади теплових машин: парові та гасові турбіни реактивних літаків, двигуни внутрішнього згоряння, термоядерні реактори.
Другий закон термодинаміки в холодильниках
Холодильники - це машини, які Вони працюють протилежно нагріву двигунів., де відводять тепло від області с температура нижчу температуру та подавати її в регіон з вищою температурою. Оскільки це неприродно, необхідно, щоб машина виконувала роботу за допомогою електричної енергії, як описано на зображенні нижче:
Деякі приклади холодильників - це холодильники та кондиціонери.
Ентропія і другий початок термодинаміки
А другий закон термодинаміки говорить про існування ентропії, один фізична величина відповідає за вимірювання ступеня дезорганізації частинок у фізичній системі або ступеня необоротності Термодинамічні процеси, що відбуваються в теплових двигунах, є спонтанними, неминучими, необоротними і експансивний. При цьому можна лише спостерігати та стримувати ступінь мінливості процесів. Зі збільшенням ентропії зростає і ступінь безладу в системі.
А Номенклатура ентропії має грецьке походження і означає «перетворення»., «змінити», таким чином вживаючись у фізичний вказувати на випадковість і безлад. Ентропію можна обчислити за формулою:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) це зміна ентропії, виміряна в [Дж/К].
\(∆U\) це зміна внутрішньої енергії, виміряна в Джоулях [Дж].
T - температура, виміряна в Кельвінах [K].
Зі статистичної точки зору ентропія обчислюється за формулою:
\(S=k\cdot ln\ Ω\)
S — ентропія, виміряна в [Дж/К].
k — постійна Больцмана, варто \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω – кількість можливих мікростанів системи.
Читайте також: Процеси поширення тепла
Формули другого закону термодинаміки
Теплові машини і холодильники
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) це тепло гарячого джерела, виміряне в Джоулях [Дж].
W — це робота, виконана тепловим двигуном, виміряна в Джоулях [Дж].
\(Q_F\) це тепло від джерела холоду, виміряне в Джоулях [Дж].
Він може бути представлений:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W — це робота, виконана тепловим двигуном, виміряна в Джоулях [Дж].
\(Q_Q\) це тепло гарячого джерела, виміряне в Джоулях [Дж].
\(Q_F\) це тепло від джерела холоду, виміряне в Джоулях [Дж].
Холодильники
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) це ефективність холодильника.
\(Q_F\) це тепло від джерела холоду, виміряне в Джоулях [Дж].
\(Q_Q\) це тепло гарячого джерела, виміряне в Джоулях [Дж].
Його можна представити у вигляді:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) це ефективність холодильника.
\(Q_F\) це тепло від джерела холоду, виміряне в Джоулях [Дж].
W — це робота, виконана тепловим двигуном, виміряна в Джоулях [Дж].
Приклади застосування формул
приклад 1: Обчисліть роботу, яку виконує теплова машина за цикл, який отримує 500 Дж теплоти від гарячого джерела і передає лише 400 Дж теплоти холодному джерелу.
Для розрахунку роботи теплового двигуна скористаємося формулою:
\(W=Q_Q-Q_F\)
Підставляючи значення, зазначені в заяві:
\(Ш=500-400\)
\(W=100\ Дж\)
Робота теплової машини становила 100 Джоулів.
приклад 2: Який ККД холодильника, який отримує 150 Дж теплоти від гарячого джерела і передає 50 Дж теплоти холодному?
Для розрахунку ККД холодильника скористаємося формулою:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Підставляючи наведені в твердження значення, отримуємо:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
Множення врожайності на 100%:
\(η=0,5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
Холодильник має ККД 50%.
Цикл Карно
Цикл Карно був розроблений вченим Саді Карно (1796-1832), з метою визначення максимальної ефективності, яку може досягти тепловий двигун, який працює між гарячим джерелом і холодним джерелом.
Ґрунтуючись на своїх дослідженнях, Карно визначив, що для отримання максимальної ефективності від теплового двигуна необхідно необхідні для того, щоб його процес був оборотним, тому він розробив цикл максимального виходу, який називається циклом Карно, і Тепловий двигун, який працює через нього, називається тепловим двигуном Карно.. Оскільки цикл Карно є оборотним, його можна повернути назад, тому були розроблені холодильники.
Цикл Карно, незалежно від використовуваної речовини, складається з чотирьох процесів, описаних на графіку залежності тиску від об’єму (p×V), як ми бачимо на зображенні нижче:
1-й процес, з пункту 1 → 2: відбувається оборотне ізотермічне розширення (процес, під час якого температура залишається постійною), під час якого газ (або система) виконує роботу та отримує певну кількість тепла від гарячого джерела.
2-й процес, з пункту 2 → 3: відбувається адіабатичне розширення (процес, при якому відбувається теплообмін із зовнішнім середовищем) оборотне, при якому не відбувається теплообміну нагрівається джерелами тепла, але газ працює, і відбувається зменшення його внутрішньої енергії, що спричиняє зменшення температура.
3-й процес, з пункту 3 → 4: відбувається оборотне ізотермічне стиснення, при якому газ отримує роботу і віддає певну кількість тепла джерелу холоду.
4 процес, з пункту 4 → 1: відбувається оборотне адибатичне стиснення, при якому теплообмін з джерелами тепла не відбувається, а газ нагрівається, поки не досягне температури гарячого джерела, і таким чином контактує з ним, закінчуючи цикл.
закони термодинаміки
Закони термодинаміки - це чотири закони, які керують усім вивченням термодинаміка, вивчають зв’язки між об’ємом, температурою та тиском та іншими фізичними величинами, такими як тепло та енергія.
Нульовий закон термодинаміки: є законом тепловий баланс, вивчає теплообмін між тілами, що мають різну температуру.
перший закон термодинаміки: це закон збереження енергії в термодинамічних системах, він вивчає перетворення тепла в роботу та/або внутрішню енергію.
Другий закон термодинаміки: це закон, який стосується теплових двигунів, холодильників та ентропії.
Третій закон термодинаміки: є законом абсолютний нуль, вона вивчає вплив цієї температури.
Читайте також: Продуктивність теплових двигунів
Вирішені вправи з другого закону термодинаміки
питання 1 Визначте температуру гарячого джерела двигуна Карно, знаючи, що температура холодного джерела становить 450 К, а його ККД 80%.
а) 2250 К
б) 450 тис
в) 1500 тис
г) 900 тис
д) 3640 К
роздільна здатність:
Альтернатива А. Розрахуємо температуру гарячого джерела за формулою ККД двигуна Карно:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\K\)
питання 2 (Cefet-PR) 2-й принцип термодинаміки можна сформулювати так: «Неможливо побудувати машину теплова енергія, що працює в циклах, єдиним ефектом яких є відведення тепла від джерела та його повне перетворення робота". Розширення цього принципу приводить нас до висновку, що:
а) Завжди можна побудувати теплові машини, ефективність яких становить 100%.
б) будь-яка теплова машина потребує лише одного джерела тепла.
в) теплота і робота не є однорідними величинами.
г) будь-який тепловий двигун відбирає тепло від гарячого джерела і віддає частину цього тепла холодному джерелу.
д) тільки за допомогою джерела холоду, яке завжди підтримується на рівні 0 °C, певний тепловий двигун міг би повністю перетворити тепло в роботу.
роздільна здатність:
Альтернатива Д. Цей принцип повідомляє нам, що неможливо відібрати все тепло від гарячого джерела і передати його холодному джерелу.
Примітка
|1| Базовий курс фізики: Рідини, Коливання і хвилі, Тепло (т. 2).
Памелла Рафаелла Мело
Вчитель фізики
Ентропія системи є не що інше, як міра її ступеня неорганізованості. З поняття ентропії можна сформулювати другий закон.
Відкрийте для себе захоплюючу історію теплових двигунів та їх головне використання.
Чи знаєте ви, що таке теплові машини, термодинамічні цикли та ККД? Дізнайтеся більше про ці важливі поняття термодинаміки.
Ознайомтеся з текстом і вивчіть визначення першого закону термодинаміки, подивіться, які формули використовує цей закон, і перегляньте розв’язані вправи на цю тему.
Ізотермічне, ізоволюметричне та адіабатичне перетворення. Зустрічайте їх!
Чи знаєте ви, що таке термодинаміка? Отримайте доступ до тексту, щоб дізнатися, які найважливіші поняття з цього предмету, дізнатися про закони термодинаміки.
