Undang -undang kedua formula termodinamik, persamaan, contoh

The Undang -undang termodinamik kedua mempunyai beberapa bentuk ungkapan. Salah satu daripada mereka menyatakan bahawa tiada mesin terma mampu mengubah sepenuhnya semua tenaga yang diserap ke dalam kerja yang boleh digunakan (formulasi Kelvin-Planck). Cara lain untuk menyatakannya adalah mengatakan bahawa proses sebenar berlaku dalam erti kata bahawa kualiti tenaga lebih rendah kerana Entropi Ia cenderung meningkat.

Undang -undang ini, yang juga dikenali sebagai prinsip kedua termodinamik, telah dinyatakan dengan cara yang berbeza dengan berlalunya masa, dari awal abad ke -19 hingga sekarang, walaupun asal -usulnya dari penciptaan mesin stim pertama di England, Pada awal abad ke -18.

Rajah 1. Semasa membina blok pembinaan ke lantai, sangat mengejutkan untuk jatuh diperintahkan. Sumber: Pixabay.

Tetapi walaupun ia dinyatakan dalam banyak cara, dalam semua idea bahawa perkara cenderung kepada gangguan dan tidak ada proses 100%, kerana kerugian akan selalu ada akan selalu ada.

Semua sistem termodinamik mematuhi prinsip ini, bermula dengan alam semesta itu sendiri untuk cawan kopi pagi yang menunggu secara senyap -senyap di atas meja bertukar panas dengan alam sekitar.

Kopi sejuk seiring dengan masa berlalu, sehingga ia berada dalam keseimbangan terma dengan alam sekitar, jadi sangat mengejutkan jika suatu hari sebaliknya akan berlaku dan atmosfera akan sejuk sementara kopi akan panas untuk dirinya sendiri. Tidak mungkin berlaku, ada yang mengatakan bahawa mustahil, tetapi sudah cukup untuk membayangkan ia mempunyai idea tentang pengertian di mana keadaan berlaku secara spontan.

Dalam contoh lain, jika kita meluncurkan buku di permukaan meja, akhirnya ia akan berhenti, kerana tenaga kinetiknya akan hilang dalam bentuk haba kerana geseran.

Undang -undang termodinamik pertama dan kedua ditubuhkan sekitar tahun 1850, terima kasih kepada saintis seperti Lord Kelvin -pencipta istilah "thermodynamics" -, William Rankine -pengarang teks rasmi termodinamik pertama dan Rudolph Clausius.

[TOC]

Formula dan persamaan

Entropi -less daripada awal -membuat kita menubuhkan rasa di mana perkara berlaku. Mari kembali ke contoh badan dalam hubungan terma.

Apabila dua objek pada suhu yang berbeza diletakkan dan akhirnya selepas beberapa ketika mereka mencapai keseimbangan terma, mereka didorong oleh fakta bahawa entropi mencapai maksimum, apabila suhu kedua -duanya adalah sama adalah sama.

Menunjukkan entropi sebagai S, Perubahan entropi ΔS sistem diberikan oleh:

Q adalah panas di joules dan t adalah suhu di kelvin. Dalam sistem unit SI antarabangsa, entropi diberikan dalam joules/kelvins atau j/k.

Perubahan entropi ΔS Ia menunjukkan tahap gangguan dalam sistem, tetapi ada sekatan dalam penggunaan persamaan ini: ia hanya terpakai untuk proses yang boleh diterbalikkan, iaitu, di mana sistem dapat kembali ke keadaan asalnya tanpa meninggalkan tanda dari apa berlaku-.

Dalam proses yang tidak dapat dipulihkan, undang -undang termodinamik kedua ditunjukkan seperti berikut:

Boleh melayani anda: nombor reynolds: apa itu, bagaimana ia dikira, latihan

Ketidaksamaan timbul kerana dalam proses entropi yang tidak dapat dipulihkan selalu meningkat.

Proses yang boleh diterbalikkan dan tidak dapat dipulihkan

Cawan kopi selalu sejuk dan merupakan contoh yang baik dari proses yang tidak dapat dipulihkan, kerana ia selalu berlaku dalam satu arah. Sekiranya krim ditambah ke kopi dan kacau, kombinasi yang sangat menyenangkan akan diperoleh, tetapi tidak kira bagaimana kacau lagi, kopi dan krim tidak akan lagi, kerana kacau tidak dapat dipulihkan.

Rajah 2. Kerosakan cawan adalah proses yang tidak dapat dipulihkan. Sumber: Pixabay.

Walaupun sebahagian besar proses harian tidak dapat dipulihkan, ada hampir Boleh diterbalikkan. Kebolehulangan adalah idealisasi. Untuk dijalankan, sistem mesti berubah dengan perlahan, sehingga pada setiap titik ia selalu seimbang. Dengan cara ini adalah mungkin untuk mengembalikannya ke negeri sebelumnya tanpa meninggalkan tanda sekitar.

Proses yang cukup dekat dengan ideal ini lebih cekap, kerana mereka memberikan lebih banyak kerja dengan penggunaan tenaga yang kurang.

Daya geseran bertanggungjawab untuk banyak ketidakpatuhan, kerana haba yang dihasilkan olehnya bukan jenis tenaga yang dicari. Dalam buku yang meluncur di atas meja, panas oleh geseran adalah tenaga yang tidak pulih.

Walaupun buku itu kembali ke kedudukan asalnya, meja itu akan menjadi panas sebagai jejak datang dan meneruskannya.

Sekarang perhatikan mentol pijar: kebanyakan kerja yang dilakukan oleh arus yang melintasi filamen terbuang dalam keadaan panas oleh kesan joule. Hanya peratusan kecil yang digunakan untuk memancarkan cahaya. Dalam kedua -dua proses (buku dan mentol), entropi sistem telah meningkat.

Aplikasi

Enjin yang ideal adalah yang dibina melalui proses yang boleh diterbalikkan dan tidak mempunyai geseran yang menyebabkan sisa tenaga, beralih hampir Semua tenaga terma dalam kerja yang boleh digunakan.

Kami menekankan perkataan hampir, kerana tidak juga enjin yang ideal, iaitu Carnot, mempunyai kecekapan 100%. Undang -undang termodinamik kedua tidak dengan cara ini.

Enjin Carnot

Enjin Carnot adalah enjin yang paling berkesan yang boleh dibuat. Ia beroperasi di antara dua deposit suhu dalam dua proses isoterma - pada suhu malar - dan dua proses adiabatik - tanpa pemindahan tenaga haba-.

Grafik yang dipanggil rajah PV -tekanan - Volume- Jelaskan keadaan:

Rajah 3. Di sebelah kiri skim enjin Carnot dan di sebelah kanan rajah p-v. Sumber: Wikimedia Commons.

Di sebelah kiri, dalam Rajah 3 adalah skim motor Carnot C, yang mengambil haba q₁ deposit pada suhu t₁, Tukar haba itu ke dalam kerja W dan berikan sisa itu₂ ke deposit paling sejuk, yang berada pada suhu t₂.

Bermula dari A, sistem berkembang sehingga mencapai b, menyerap haba ke suhu tetap t₁. Di B, sistem ini memulakan pengembangan adiabatik di mana haba tidak dimenangi atau hilang, untuk sampai ke C.

Di C bermula satu lagi proses isoterma: untuk memberi haba kepada deposit terma yang lebih sejuk yang ada di T₂. Kerana ini berlaku, sistem dimampatkan dan titik d dicapai. Terdapat proses adiabatik kedua untuk kembali ke titik permulaan ke. Dengan cara ini kitaran selesai.

Ia boleh melayani anda: pemindahan haba dengan memandu (dengan contoh)

Kecekapan Carnot bergantung kepada suhu di Kelvin pada dua deposit terma:

Kecekapan maksimum = (q_{pintu masuk} - Q_keluar) /Q_{pintu masuk} = 1 - (t₂/T₁)

Teorem Carnot menyatakan bahawa ini adalah mesin terma yang paling berkesan, tetapi jangan tergesa -gesa membelinya. Adakah anda ingat apa yang kami katakan mengenai kebolehulangan proses? Mereka mesti berlaku sangat, sangat perlahan, jadi kuasa output mesin ini hampir tidak.

Metabolisme manusia

Manusia memerlukan tenaga untuk memastikan semua sistem mereka berfungsi, oleh itu mereka berkelakuan sebagai mesin terma yang menerima tenaga dan mengubahnya menjadi tenaga mekanikal untuk, sebagai contoh, bergerak.

Kecekapan dan badan manusia ketika melakukan pekerjaan dapat ditakrifkan sebagai nisbah antara kekuatan mekanikal yang dapat disediakan dan jumlah entri tenaga, yang disertakan dengan makanan.

Seperti kuasa purata p_m Ia adalah kerja yang dilakukan dalam selang waktu Δt, Ia boleh dinyatakan sebagai:

P_m = W/Δt

Yeah ΔU/Δt Ia adalah kadar tenaga yang ditambah, kecekapan badan kekal:

Dianggap bahawa kecekapan adalah jumlah yang positif, yang dipastikan melalui bar nilai mutlak dalam formula sebelumnya.

Melalui banyak ujian dengan sukarelawan, kecekapan sehingga 17%telah diperolehi, menyampaikan kira -kira 100 watt kuasa selama beberapa jam.

Sudah tentu, ini bergantung pada tugas yang dilakukan. Pedaling Basikal mempunyai kecekapan yang sedikit lebih besar, kira -kira 19 %, manakala tugas berulang yang termasuk bilah, puncak dan cangkul mempunyai kecekapan serendah kira -kira 3 %.

Contoh

Undang -undang termodinamik kedua tersirat dalam semua proses yang berlaku di alam semesta. Entropi sentiasa berkembang, walaupun dalam beberapa sistem nampaknya berkurangan. Untuk ini telah meningkat di tempat lain, sehingga dalam jumlah keseimbangan itu positif.

- Dalam pembelajaran ada entropi. Ada orang yang belajar dengan baik dan cepat, selain dapat mengingatnya dengan mudah. Dikatakan bahawa mereka adalah orang yang mempunyai pembelajaran entropi yang rendah, tetapi mereka pasti kurang banyak daripada entropi yang tinggi: mereka yang paling ingat perkara yang mereka pelajari.

- Sebuah syarikat dengan pekerja yang tidak teratur mempunyai lebih banyak entropi daripada satu di mana pekerja menjalankan tugas dengan teratur. Jelas bahawa yang terakhir akan lebih efisien daripada yang pertama.

- Daya geseran menghasilkan kecekapan yang kurang dalam fungsi jentera, kerana mereka meningkatkan jumlah tenaga yang hilang yang tidak dapat digunakan dengan cekap.

- Melancarkan dadu mempunyai entropi yang lebih besar daripada membuang duit syiling ke udara. Lagipun, melancarkan mata wang hanya mempunyai 2 hasil yang mungkin, semasa melancarkan dadu ialah 6. Semakin banyak peristiwa yang mungkin, semakin banyak entropi.

Dapat melayani anda: apakah unsur -unsur pergerakan?

Latihan yang diselesaikan

Latihan 1

Silinder dengan omboh dipenuhi dengan campuran cecair dan wap air pada 300 K dan 750 kJ haba dipindahkan ke proses tekanan malar. Akibatnya, cecair di dalam silinder dikurangkan. Kirakan perubahan entropi dalam proses.

Rajah 4. Rajah untuk contoh yang diselesaikan 1. Sumber: f. Zapata.

Penyelesaian

Proses yang diterangkan dalam pernyataan itu dijalankan pada tekanan berterusan dalam sistem tertutup, yang tidak mengalami pertukaran massa.

Oleh kerana ia adalah pengewapan, di mana suhu tidak berubah (semasa perubahan fasa suhu adalah malar), definisi perubahan entropi yang diberikan di atas boleh digunakan dan suhu boleh keluar dari integral:

Menilai dengan data yang disediakan:

ΔS = 750.000 J / 300 k = 2500 J / k.

Oleh kerana sistem datang ke sistem, perubahan entropi positif.

Latihan 2

Gas mengalami peningkatan tekanan sebanyak 2.00 hingga 6.00 Atmosfer (ATM), mengekalkan jumlah tetap 1.00 m³, dan kemudian berkembang pada tekanan berterusan sehingga mencapai jumlah 3.00 m³. Akhirnya kembali ke keadaan awalnya. Hitung berapa banyak kerja yang dijalankan dalam 1 kitaran.

Rajah 5. Proses termodinamik dalam gas misalnya 2. Sumber: Serway -vulle. Asas Fizik.

Penyelesaian

Ia adalah proses kitaran di mana variasi tenaga dalaman tidak sah, mengikut undang -undang termodinamik pertama, oleh itu q = w. Dalam rajah p -v (tekanan - volum), kerja yang dilakukan semasa proses kitaran bersamaan dengan kawasan yang dikunci oleh lengkung. Untuk memberikan hasil dalam sistem antarabangsa, perlu menukar unit dalam tekanan melalui faktor penukaran berikut:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 Pa.

Kawasan yang dilampirkan oleh graf sepadan dengan segitiga yang asasnya (3 - 1 m³) = 2 m³ dan ketinggiannya (6 - 2 atm) = 4 atm = 405.300 Pa

W_Abca = ½ (2 m³ x 405300 pa) = 405300 j = 405.3 kJ.

Latihan 3

Dikatakan bahawa salah satu mesin yang paling berkesan yang telah dibina adalah turbin stim yang didorong oleh arang batu di Sungai Ohio, yang digunakan untuk memacu penjana elektrik yang beroperasi antara 1870 dan 430 ° C.

Hitung: a) Kecekapan teoritis maksimum, b) kuasa mekanikal yang disampaikan oleh mesin jika diserap 1.40 x 10⁵ J tenaga setiap detik dari tangki panas. Diketahui bahawa kecekapan sebenar adalah 42.0%.

Penyelesaian

a) Kecekapan maksimum dikira dengan persamaan yang diberikan di atas:

Kecekapan maksimum = (q_{pintu masuk} - Q _keluar) /Q_{pintu masuk} = 1 - (t₂/T₁)

Untuk lulus Celsius ke Kelvin, sudah cukup untuk menambah 273.15 Pada suhu Celsius:

Mengalikan sebanyak 100% anda mempunyai kecekapan peratusan maksimum, iaitu 67.2%

c) Jika kecekapan sebenar adalah 42%, terdapat kecekapan maksimum 0.42.

Kuasa mekanikal yang dihantar ialah: p = 0.42 x 1.40 x10 ⁵ J/s = 58800 w.

Rujukan

1. Bauer, w. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. MC Graw Hill.
2. Cengel, dan. 2012. Thermodynamics. 7^ma Edisi. McGraw Hill.
3. Figueroa, d. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 4. Cecair dan termodinamik. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, r.  2017. Fizik untuk saintis dan kejuruteraan: Pendekatan Strategi.
5. López, c. Undang -undang termodinamik pertama. Pulih dari: Culturacientifica.com.
6. Serway, r. 2011. Asas Fizik. 9^na Pembelajaran Cengage.
7. Sevilla University. Mesin terma. Pulih dari: Laplace.kita.adalah