ANDRE LOV OM TERMODYNAMIKK: FORMLER, LIGNINGER, EKSEMPLER - FYSISK - 2025

Den andre loven om termodynamikk har flere uttrykksformer. En av dem oppgir at ingen varmemotor er i stand til å fullstendig konvertere all energien den tar opp til brukbart arbeid (Kelvin-Planck-formulering). En annen måte å si det på er å si at reelle prosesser oppstår i en slik forstand at energikvaliteten er lavere fordi entropi har en tendens til å øke.

Denne loven, også kjent som det andre prinsippet for termodynamikk, har blitt uttrykt på forskjellige måter over tid, fra begynnelsen av det nittende århundre til i dag, selv om dens opprinnelse går tilbake til etableringen av de første dampmaskinene i England. , på begynnelsen av 1700-tallet.

Figur 1. Når du kaster byggesteinene til bakken, ville det være veldig overraskende om de falt i orden. Kilde: Pixabay.

Men selv om det kommer til uttrykk på mange måter, er ideen om at saken har en tendens til å bli forstyrret, og at ingen prosess er 100% effektiv, siden tap alltid vil eksistere.

Alle termodynamiske systemer overholder dette prinsippet, og begynner med selve universet til morgenkoppen kaffe som venter stille på bordet og bytter varme med omgivelsene.

Kaffen avkjøles etter hvert som tiden går, til den er i termisk likevekt med miljøet, så det ville være veldig overraskende om det en dag skjedde det motsatte og miljøet avkjølte mens kaffen varmet seg opp. Det vil neppe skje, noen vil si umulig, men det er nok å forestille seg det for å få en ide om hvilken betydning ting skjer spontant.

I et annet eksempel, hvis vi skyver en bok over overflaten på et bord, vil den til slutt stoppe, fordi dens kinetiske energi vil gå tapt som varme på grunn av friksjon.

Den første og andre lov om termodynamikk ble etablert rundt 1850, takket være forskere som Lord Kelvin - skaperen av begrepet "termodynamikk" -, William Rankine - forfatter av den første formelle teksten om termodynamikk - og Rudolph Clausius.

Formler og ligninger

Entropi - nevnt i begynnelsen - hjelper oss å etablere den meningen ting skjer. La oss gå tilbake til eksemplet på kropper i termisk kontakt.

Når to objekter ved forskjellige temperaturer kommer i kontakt og til slutt etter en stund når termisk likevekt, blir de drevet til det ved at entropien når sitt maksimum, når temperaturen til begge deler er den samme.

Ved å betegne entropi som S, er endringen i entropi ofS for et system gitt av:

Endringen i entropi indicatesS indikerer graden av forstyrrelse i et system, men det er en begrensning i bruken av denne ligningen: den gjelder bare reversible prosesser, det vil si de der systemet kan returnere til sin opprinnelige tilstand uten å forlate spor av hva som skjedde-.

I irreversible prosesser vises termodynamikkens andre lov som følger:

Vendbare og irreversible prosesser

Koppen kaffe blir alltid kald og er et godt eksempel på en irreversibel prosess, siden den alltid skjer i bare en retning. Hvis du legger krem ​​til kaffen og rører, vil du få en veldig hyggelig kombinasjon, men uansett hvor mye du rører igjen, vil du ikke ha kaffen og kremen hver for seg igjen, fordi omrøring er irreversibel.

Figur 2. Cupbrudd er en irreversibel prosess. Kilde: Pixabay.

Selv om de fleste av de daglige prosessene er irreversible, er noen nesten reversible. Vendbarhet er en idealisering. For at dette skal skje, må systemet endre seg veldig sakte, på en slik måte at det på hvert punkt alltid er i likevekt. På denne måten er det mulig å returnere den til en tidligere tilstand uten å etterlate spor i omgivelsene.

Prosesser som er ganske nær dette idealet er mer effektive, ettersom de leverer større arbeid med mindre energiforbruk.

Friksjonskraften er ansvarlig for mye av irreversibiliteten, fordi varmen som genereres av den ikke er den energitypen som er søkt. I boka som glir over bordet, er friksjonsvarme energi som ikke blir utvunnet.

Selv om boken kommer tilbake til sin opprinnelige posisjon, vil tabellen ha vært het som et spor av å komme og gå på den.

Se nå på en glødepære: det meste av arbeidet som strømmen utfører gjennom glødetråden er bortkastet i varme av Joule-effekten. Bare en liten prosentandel brukes til å avgi lys. I begge prosesser (bok og lyspære) har systemets entropi økt.

applikasjoner

En ideell motor er en som er bygd ved bruk av reversible prosesser og mangler friksjon som forårsaker energiavfall, og omdanner nesten all termisk energi til brukbart arbeid.

Vi legger vekt på ordet nesten, for ikke engang den ideelle motoren, som er Carnot, er 100% effektiv. Den andre loven om termodynamikk sørger for at dette ikke er tilfelle.

Carnot-motor

Carnot-motoren er den mest effektive motoren som kan utvikles. Den opererer mellom to temperaturtanker i to isotermiske prosesser - ved konstant temperatur - og to adiabatiske prosesser - uten overføring av termisk energi.

Grafene kalt PV - trykk-volumdiagrammer - tydeliggjør situasjonen på et øyeblikk:

Figur 3. Til venstre Carnot-motorskjema og til høyre PV-diagram. Kilde: Wikimedia Commons.

På venstre side, i figur 3, er diagrammet over Carnot-motoren C, som tar varmen Q ₁ fra tanken som er ved temperaturen T ₁ , konverterer den varmen til arbeid W og overfører avfallet Q ₂ til den kaldere tanken, som er ved temperatur T ₂ .

Fra A utvides systemet til det når B og absorberer varme ved den faste temperaturen T ₁ . I B begynner systemet en adiabatisk ekspansjon der ingen varme blir vunnet eller mistet, for å nå C.

I en annen C isoterm prosess begynner nemlig å overføre varme til den andre kaldere varmeforekomst som er ved T ₂ . Når dette skjer, komprimeres systemet og når punkt D. Der begynner en andre adiabatisk prosess for å gå tilbake til utgangspunktet A. På denne måten fullføres en syklus.

Effekten av Carnot-motoren avhenger av temperaturene i Kelvin i de to termiske reservoarene:

Carnot's teorem uttaler at dette er den mest effektive varmemotoren der ute, men ikke vær for rask til å kjøpe den. Husker du hva vi sa om prosessers reversibilitet? De må skje veldig, veldig sakte, så strømmen til denne maskinen er praktisk talt null.

Menneskelig metabolisme

Mennesker trenger energi for å holde alle systemene sine i arbeid, derfor oppfører de seg som termiske maskiner som mottar energi og transformerer den til mekanisk energi for for eksempel å bevege seg.

Menneskekroppens effektivitet når du utfører arbeid, kan defineres som kvotienten mellom den mekaniske kraften den kan gi og den totale energitilførselen som følger med mat.

Siden middelkraften _Pm er arbeid W utført i et tidsintervall Δt, kan det uttrykkes som:

Hvis ΔU / Δt er hastigheten som energi tilføres, blir kroppseffektiviteten:

Gjennom mange tester med frivillige er det oppnådd effektivitet på opptil 17%, og leverer omtrent 100 watt kraft i flere timer.

Selvfølgelig vil det i stor grad avhenge av oppgaven som gjøres. Å tråkke en sykkel er litt mer effektiv, rundt 19%, mens repeterende oppgaver som inkluderer spader, plukker og heiser er så lave som rundt 3%.

eksempler

Den andre loven om termodynamikk er implisitt i alle prosessene som skjer i universet. Entropien øker alltid, selv om det ser ut til å avta i noen systemer. For at dette skal skje har det måttet øke andre steder, slik at det i den totale balansen er positivt.

- I læring er det entropi. Det er mennesker som lærer ting godt og raskt, i tillegg til at de lett kan huske dem senere. Det sies at de er mennesker med liten entropilæring, men sikkert er de mindre tallrike enn de med høy entropi: de som synes det er vanskeligere å huske tingene de studerer.

- Et selskap med uorganiserte arbeidere har mer entropi enn en der arbeidstakere utfører oppgaver på en ryddig måte. Det er klart at sistnevnte vil være mer effektiv enn førstnevnte.

- Friksjonskrefter genererer mindre effektivitet i drift av maskiner, fordi de øker mengden spredt energi som ikke kan brukes effektivt.

- Å rulle terninger har en høyere entropi enn å vende en mynt. Når alt kommer til alt har det å kaste en mynt bare 2 mulige utfall, mens det å kaste matrisen har 6. Jo flere hendelser som er sannsynlige, jo mer entropi er det.

Løste øvelser

Oppgave 1

En stempelsylinder fylles med en blanding av væske og vanndamp ved 300 K og 750 kJ varme overføres til vannet ved en konstant trykkprosess. Som et resultat fordamper væsken inne i sylinderen. Beregn endropien i entropi i prosessen.

Figur 4. Figur for det løste eksemplet 1. Kilde: F. Zapata.

Løsning

Prosessen beskrevet i utsagnet utføres ved konstant trykk i et lukket system, som ikke gjennomgår masseutveksling.

Siden det er en fordampning, der temperaturen heller ikke endres (under faseendringer er temperaturen konstant), kan definisjonen av entropiforandring gitt ovenfor, og temperaturen kan gå utenfor integralen:

ΔS = 750.000 J / 300 K = 2.500 J / K

Siden varme kommer inn i systemet, er endringen i entropi positiv.

Oppgave 2

En gass gjennomgår en trykkøkning fra 2,00 til 6,00 atmosfære (atm), og holder et konstant volum på 1,00 m ³ , og ekspanderer deretter ved konstant trykk til det når et volum på 3,00 m ³ . Til slutt går det tilbake til sin opprinnelige tilstand. Beregn hvor mye arbeid som gjøres i en syklus.

Figur 5. Termodynamisk prosess i en gass for eksempel 2. Kilde: Serway -Vulle. Grunnleggende om fysikk.

Løsning

Det er en syklisk prosess der den interne energivariasjonen er null, i henhold til termodynamikkens første lov, derfor Q = W. I et PV (trykk-volum) diagram er arbeidet som ble gjort under en syklisk prosess ekvivalent til området omsluttet av kurven. For å gi resultatene i det internasjonale systemet er det nødvendig å gjøre en endring av enheter i trykket ved å bruke følgende konverteringsfaktor:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 Pa.

Området som er omsluttet av grafen tilsvarer det i en trekant hvis base (3 - 1 m ³ ) = 2 m ³ og hvis høyde er (6 - 2 atm) = 4 atm = 405,300 Pa

W _ABCA = ½ (2 m ³ x 405300 Pa) = 405300 J = 405,3 kJ.

Oppgave 3

En av de mest effektive maskinene som noensinne er bygget, sies å være en kullfyrt dampturbin ved elven Ohio, som brukes til å drive en elektrisk generator som fungerer mellom 1870 og 430 ° C.

Beregn: a) Maksimal teoretisk virkningsgrad, b) Mekanisk kraft som maskinen leverer hvis den absorberer 1,40 x 10 ⁵ J energi hvert sekund fra hettanken. Den faktiske effektiviteten er kjent for å være 42,0%.

Løsning

a) Maksimal effektivitet beregnes med ligningen gitt ovenfor:

For å endre grader Celsius til kelvin, bare legg til 273,15 til Celsius temperatur:

Å multiplisere med 100% gir maksimal effektivitet i prosent, som er 67,2%

c) Hvis den reelle effektiviteten er 42%, er det en maksimal effektivitet på 0,42.

Den mekaniske kraften som leveres er: P = 0,42 x 1,40 x10 ⁵ J / s = 58800 W.

referanser

1. Bauer, W. 2011. Fysikk for ingeniørvitenskap og vitenskap. Bind 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamikk. 7 ^ma utgave. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 4. Væsker og termodynamikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach.
5. López, C. Den første loven om termodynamikk. Gjenopprettet fra: culturacientifica.com.
6. Serway, R. 2011. Fundamentals of Physics. 9 ^na Cengage Learning.
7. Sevilla University. Termiske maskiner. Gjenopprettet fra: laplace.us.es