Второй закон термодинамики кратко: Второй закон термодинамики. Энтропия. — таблицы Tehtab.ru

Содержание

Второй закон термодинамики. Энтропия. — таблицы Tehtab.ru

Второй закон термодинамики. Энтропия.

Второй закон связан с понятием энтропии, являющейся мерой хаоса (или мерой порядка). Второй закон термодинамики гласит, что для вселенной в целом энтропия возрастает.

Существует два классических определения второго закона термодинамики :

  • Кельвина и Планка

  • Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу. (Невозможно построить периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара теплоты)

  • Клаузиуса
  • Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. (Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара)

Оба определения второго закона термодинамики опираются на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает.

Второй закон связан с понятием энтропии (S).

Энтропия порождается всеми процессами, она связана с потерей системы способности совершать работу. Рост энтропии — стихийный процесс. Если объем и энергия системы постоянны, то любое измение в системе увеличивает энтропию. Если же объем или энергия системы меняются, энтропия системы уменьшается. Однако, энтропия вселенной при этом не уменьшается.

Для того, чтобы энергию можно было использовать, в системе должны быть области с высоким и низким уровнями энергии. Полезная работа производится в результате передачи энергии от области с высоким уровнем энергии к области с низким уровнем энергии.

  • 100% энергии не может быть преобразовано в работу
  • Энтропия может вырабатываться, но не может быть уничтожена

Эффективность теплового двигателя

Эффективность теплового двигателя, действующего между двумя энергетическими уровнями , определена в пересчете на абсолютные температуры

η = ( Th — Tc ) / Th = 1 — Tc / Th

где

η = эффективность

Th = верхняя граница температуры (K)

Tc = нижняя граница температуры (K)

Для того, чтобы достичь максимальной эффективности Tc должна быть на столько низкой, на сколько это возможно. Чтобы эффект был 100% -м, Tc должна равнятся 0 по шкале Kельвина. Практически это невозможно, поэтому эффективность всегда меньше 1 (менее 100%).

  • Изменение энтропии > 0
    Необратимый
    процесс
  • Изменение энтропии= 0
    Двусторонний
    процесс (обратимый)
  • Изменение энтропии < 0
    Невозможный
    процесс (неосуществимый)

Энтропия определяет относительную способность одной системы влиять на другую. Когда энергия двигается к нижнему энергетическому уровню, где уменьшается возможность влияния на окружающую среду, энтропия увеличивается.

Определение энтропии

Энтропия определяется как :

S = H / T

где

S = энтропия (кДж/кг*К)

H = энтальпия (кДж/кг)

T = абсолютная температура (K)

Изменение энтропии системы вызвано изменением содержания темпла в ней. Изменение энтропии равно изменению темпла системы деленной на среднюю абсолютную температуру ( Ta):

dS = dH / Ta

Сумма значений (H / T) для каждого полного цикла Карно равна 0. Это происходит из-за того, что каждому положительному H противостоит отрицательное значение H.

  • Тепловой цикл Карно

Цикл Карно— идеальный термодинамический цикл.


В тепловом двигателе, газ (реверсивно) нагревается (reversibly heated), а затем охлаждается. Модель цика следующая: Положение 1 —( изотермическое расширение) —> Положение 2 —( адиабатическое расширение) —> Положение 3 —(изотермическое сжатие) —> Положение 4 —(адиабатическое сжатие) —> Положение 1

Положение 1 — Положение 2: Изотермическое расширение
Изотермическое расширение. В начале процесса рабочее тело имеет температуру Th , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается. QH=∫Tds=T

h (S2-S1) =Th ΔS
Положение 2 — Положение 3: Адиабатическое расширение
Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
Положение 3 — Положение 4: Изотермическое сжатие
Изотермическое сжатие. Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру Tc, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты Qc. Qc=Tc(S2-S1)=Tc ΔS
Положение 4 — Положение 1: Адиабатическое сжатие
Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие. Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия.

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).

Законы термодинамики были определены эмперическим путем (эксперементально). Второй закон термодинамики — это обощение экспериментов, связанных с энтропией. Известно, что dS системы плюс dS окружающей среды равно или больше 0.

  • Энтропия адиабатически изолированной системы не меняется!

Пример — Энтропия при нагревании воды

Процесс нагревания 1 кг воды от 0 до 100oC (273 до 373 K) при нормальных условиях.

Удельная энтальпия для воды при 0oC = 0 кДж/кг (удельная — на единицу массы)

Удельная энтальпия для воды при 100oC = 419 кДж/кг

Изменение удельной энтропии :

dS = dH / Ta

    = ((419 кДж/кг) — (0 кДж/кг)) / ((273 К + 373 К)/2)

    = 1.297 кДж/кг*К

Пример — Энтропия при испарении воды

Процесс превращения 1 кг воды при 100oC (373 K) в насыщенный пар при 100oC (373 K) при нормальных условиях.

Удельная энтальпия пара при 100oC (373 K) до испарения = 0 кДж/кг

Удельная теплота парообразования 100oC (373 K) при испарении = 2 258 кДж/кг

Изменение удельной энтропии:

dS = dH / Ta

   = (2 258 — 0) / ((373 + 373)/2)

    = 6.054 кДж/кг*К

Полное изменение удельной энтропии испарения воды — это сумма удельной энтропии воды (при 0

oC) плюс удельная энтропия пара (при температуре 100oC).

2.4. Второй закон термодинамики — Энергетика: история, настоящее и будущее

2.4. Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики, как уже сказано, характеризует процессы превращения энергии с количественной стороны. Второй закон термодинамики характеризует качественную сторону этих процессов. Первый закон термодинамики дает все необходимое для составления энергетического баланса какоголибо процесса. Однако он не дает никаких указаний относительно возможности протекания того или иного процесса. Между тем далеко не все процессы реально осуществимы.

Следует подчеркнуть, что второй закон термодинамики, так же как и первый закон, сформулирован на основе опыта.

Проследим путь, приведший физиков к открытию этого закона.

Наиболее важные исследования теплоты в первой половине XIX века проводились с практической целью улучшить работу паровой машины. Английский изобретатель Джеймс Уатт (1736–1819) с предельной практичностью сформулировал задачу: сколько угля требуется, чтобы получить определенную работу, и какими способами при заданной величине работы можно свести к минимуму количество расходуемого горючего?

За исследование этой практической проблемы взялся молодой инженер Сади Карно.

Если исходить из первого закона термодинамики, то можно допустить протекание любого процесса, который не противоречит закону сохранения энергии. В частности, при теплообмене можно было бы предположить, что теплота может передаваться как от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, так и наоборот. При этом согласно первому закону термодинамики накладывается только одно условие: чтобы количество теплоты, отданной одним телом, равнялось количеству теплоты, принятой другим телом.

Между тем из опыта известно, что теплота всегда самопроизвольно передается только от более нагретых тел к менее нагретым, т.е. самопроизвольный или естественный процесс теплообмена обладает свойством направленности в сторону тел с более низкой температурой, причем он прекращается при достижении равенства температур участвующих в теплообмене тел.

Возможен и обратный, не самопроизвольный (искусственный) процесс передачи теплоты от менее нагретых тел к более нагретым (например в холодильных установках), но для осуществления его требуется подвод энергии извне.

Констатация этой особенности теплоты, проявляющейся в процессе ее передачи, является одной из сторон сущности второго закона термодинамики.

«Проведав, что Природою дано
Стать силой движущей Огню,
Вошел в историю Карно,
Прославив молодость свою…»

(Э.Г. Братута)

Сади Карно был сыном своего века. Его теоретические исследования отвечали на конкретный вопрос, поставленный развивающейся промышленностью: как сделать тепловой двигатель более экономичным. Результаты своих исследований он подытожил в работе, вышедшей в 1824 г., «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (об этой работе уже упоминалось выше в 1.2). Появление этой небольшой работы стало началом нового этапа в истории физики не только благодаря полученным в ней результатам, но и благодаря примененному методу, который впоследствии использовался бесчисленное множество раз. В основу своего рассмотрения Карно положил невозможность осуществления вечного двигателя.

Свое исследование Карно начинает с восхваления паровых машин. Он констатирует, что теория этих машин развита очень слабо, и замечает, что для того, чтобы продвинуть ее, нужно несколько оторваться от чисто прикладного аспекта и рассмотреть движущую силу огня в общем виде.

Сади Карно (1796–1832) – французский физик и военный инженер – занимался изучением и усовершенствованием паровых машин, а также изучал теплоту как форму энергии. Карно был первым ученым, начавшим количественное изучение взаимопревращения теплоты и работы, поэтому его с полным правом можно назвать отцом термодинамики. Он ввел важнейшее для термодинамики понятие обратимого процесса и заложил основы второго начала термодинамики. Позднее лорд Кельвин сказал о Карно, что «это был самый глубокий специалист по термодинамике в первой трети XIX века». Карно был очень практичным человеком и считал, что главная цель занятий наукой – приносить пользу людям. 

С помощью мысленного эксперимента Карно доказал, что если исходить из невозможности вечного двигателя, то для получения работы необходимо иметь в машине два тела с различными температурами, причем теплород должен переходить от тела с более высокой температурой к телу с более низкой. Уподобляя теплород воде, а разность температур – разности уровней воды, Карно заключает, что как при падении воды работа измеряется произведением веса воды на разность уровней, так и в паровой машине работа независимо от природы рабочего вещества (вода, спирт и т. д.) измеряется произведением количества теплорода на разность температур. В 1824 году Карно высказал гениальную мысль: для производства работы в тепловой машине необходима разность температур, необходимы два источника теплоты с различными температурами. Иными словами, отдача тепловой машины ограничена значениями температур нагревателя и холодильника. Как подчеркивает Карно, холодильник – столь же необходимый элемент, как и котел, причем если в машине не предусмотрен специальный охлаждающий элемент, то его роль играет окружающая среда. Все это и представляет собой суть «принципа Карно», или второго начала термодинамики, как он стал называться позже, после того как этому разделу физики было придано аксиоматическое построение.

Клаузиусу пришлось защищать принцип Карно (второе начало термодинамики) от многочисленных атак. Он вывел его из другого постулата, который представляется интуитивно более очевидным, чем принятый Карно. Новый постулат Клаузиуса гласит, что теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему без участия третьего тела. Слово «самопроизвольно» стоит здесь, чтобы указать, что если иногда такой переход имеет место, как, скажем, в растворах, в холодильных машинах и т. п., то он в известном смысле «вынужденный», т. е. сопровождается другим, компенсирующим, явлением. Этому новому постулату Клаузиуса вскоре были даны другие эквивалентные формулировки: явления природы необратимы; явления происходят так, что энергия всегда вырождается, и т. п.

В наиболее общем виде второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями этой наиболее общей формулировки.

У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1851 году следующую формулировку второго закона термодинамики: невозможно при помощи неодушевленного материального агента получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов.

Mакс Планк дал такую формулировку: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и охлаждению теплового источника. Под периодически действующей машиной следует понимать двигатель, непрерывно (в циклическом процессе) превращающий тепло в работу. В самом деле, если бы удалось построить тепловой двигатель, который просто отбирал бы тепло от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу, то это противоречило бы сформулированному ранее положению о том, что работа может производиться системой только тогда, когда в этой системе отсутствует равновесие (в частности, применительно к тепловому двигателю, когда в системе имеется разность температур горячего и холодного источников).

Уильям Томсон (1824–1907) (в 1892 году за научные заслуги получил титул лорда Кельвина) – известный английский физик оставил после себя 25 книг, 660 научных статей и 70 изобретений в сфере термодинамики, теории электрических и магнитных явлений. Он предложил абсолютную шкалу температур (шкала Кельвина), экспериментально открыл ряд эффектов (в том числе эффект Джоуля–Томсона), установил зависимость периода колебаний контура от его емкости и индуктивности (формула Томсона), изобрел многие электроизмерительные приборы, разработал термодинамическую теорию термоэлектрических явлений, был активным участником осуществления телеграфной связи по трансатлантическому кабелю. В возрасте 27 лет стал членом Лондонского королевского общества.

Если бы не существовало ограничений, накладываемых вторым законом термодинамики, то это означало бы, что можно построить тепловой двигатель при наличии одного лишь источника тепла. Такой двигатель мог бы действовать за счет охлаждения, например, воды в океане. Этот процесс мог бы продолжаться до тех пор, пока вся внутренняя энергия океана не была бы превращена в работу. Тепловую машину, которая действовала бы таким образом, немецкий физикохимик В. Ф. Оствальд (1853–1932) удачно назвал вечным двигателем второго рода (в отличие от вечного двигателя первого рода, работающего вопреки закону сохранения энергии). В соответствии со сказанным формулировка второго закона термодинамики, данная Планком, может быть видоизменена следующим образом: осуществление вечного двигателя второго рода невозможно. Следует заметить, что существование вечного двигателя второго рода не противоречит первому закону термодинамики; в самом деле, в этом двигателе работа производилась бы не из ничего, а за счет внутренней энергии, заключенной в тепловом источнике.

Подчеркнем важную особенность тепловых процессов. Механическую работу, электрическую работу, работу магнитных сил и т. д. можно без остатка, полностью, превратить в теплоту. Что же касается теплоты, то только часть ее может быть превращена в периодически повторяющемся процессе в механическую работу и иные виды работы; другая ее часть неизбежно должна быть передана холодному источнику. В этом суть второго закона термодинамики.

По одному из постулатов У. Томсона невозможно осуществление цикла теплового двигателя без переноса некоторого количества теплоты от источника тепла с более высокой температурой к источнику с более низкой температурой. Из постулата Томсона следует невозможность получения работы в тепловом двигателе, равной отнятому от горячего источника теплу Q 1, т. е. обязательно должно выполняться неравенство L<Q 1.

Но по закону сохранения энергии

L=Q 1 – Q 2,

где Q 2 – отводимое к холодному источнику тепло.

Поэтому в тепловых двигателях, какой бы конструкции они ни были, всегда должно быть Q 2 >0. Отношение работы L к теплу Q 1 называют терми ческим коэффициентом полезного действия

η t =(L /Q 1)<1.

Таким образом, термический к. п. д. теплового двигателя всегда должен быть меньше единицы. Это положение впервые было доказано С. Карно (1824 г.) путем рассмотрения возможной работы идеального (обратимого) теплового

двигателя в условиях бесконечноёмких горячего и холодного источников тепла (T 1 =const и T 2 =const). С. Карно было доказано, что максимальный термический к. п. д. идеального теплового двигателя в условиях постоянства температур T 1 и T 2 составляет величину:

η t =1–(T 2 /T 1)<1.

Рис. 2.1. TS – диаграмма термодинамического кругового процесса

Анализируя выводы Карно, Клаузиус заметил, что для идеального теплового двигателя соблюдается соотношение

Q 1 /T 1 =Q 2 /T 2. Исходя из этого, Клаузиусом в конце XIX века была введена новая термодинамическая функция – энтропия, определяемая как отношение количества подведенной или отведенной теплоты к абсолютной температуре ее подвода или отвода:

Ѕ =Q/T. Эта новая величина – энтропия (от греч. εν – в и τροπη – поворот, превращение) – математически строго определена, но физически мало наглядна. Клаузиус показал, что абсолютное значение энтропии остается неопределенным, определены лишь ее изменения в термически изолированных необратимых системах; в идеальном случае обратимых процессов энтропия остается постоянной.

Введению этой новой величины физики противодействовали весьма энергично, особенно изза ее таинственного характера, обусловленного главным образом тем, что она не действует на наши органы чувств. Поскольку ее изменение равно нулю для идеальных обратимых процессов и положительно для реальных обратимых процессов, то энтропия есть мера отклонения реального процесса от идеального. Этим объясняется данное Клаузиусом название этой величины, которое этимологически означает «изменение».

Введение этой величины позволило создать температурно-энтропийные, или так называемые TS- диаграммы (рис. 2.1), с помощью которых можно оценивать термодинамические процессы и определять эффективность тепловых двигателей.

На площади такой диаграммы точки отвечают определённому состоянию газообразного рабочего тела, поскольку для каждой из них известны две величины – параметры состояния, которые характеризуют газ. В данном случае ими будут T и S (т. е. температура и энтропия).

Если к некоторому количеству газа, состояние которого определено на рисунке точкой 1, подвести определённое количество теплоты dQ, то система перейдёт путём a в состояние, характеризуемое точкой 2, а затем вследствие отвода теплоты система путем b вернётся в первоначальное состояние (точка 1). Это означает, что система осуществила круговой процесс.

Для любого элементарного участка такого процесса существует зависимость

где dS – увеличение функции состояния системы – энтропии, кДж/К; dQ – количество подведённой теплоты, кДж; T – температура, при которой подводится теплота, К.

Поскольку dQ = TdS, то понятно, что количество подведенной теплоты в каком-либо процессе, в том числе в процессе, определяется на TS-диаграмме в определённом масштабе площадью, обозначаемой вертикальной штриховкой, а количество отведенного тепла – площадью с наклонной штриховкой. Площадь, ограниченная кривыми1 – 2 и 2 – 1, является разницей между указанными площадями. Она характеризует количество теплоты, преобразованной, согласно закону сохранения энергии, в работу, выполненную 1 кг газа за цикл. Термодинамический к.п.д. цикла определяется как отношение этой площади к заштрихованной вертикальными линиями, которая соответствует подведенной энергии. Итак, из сказанного следует, что к.п.д. возрастает тем больше, чем выше расположена верхняя кривая и ниже – нижняя.

Рис. 2.2. Процессы в газах (изоэнтропы, изотермы, изохоры, изобары)

Если верхняя и нижняя температурные границы цикла жестко определены (на рис.2.1 они обозначены пунктиром), тогда к.п.д. тем выше, чем более близкой к прямоугольнику ABCD будет форма площади цикла1 – 2 и 2 – 1. Цикл, который на TS-диаграмме изображен прямоугольником ABCD, получил название цикла Карно. К.п.д. цикла Карно невозможно превысить никакими средствами, а его величина зависит только от температуры: наиболее высокой (изотермаАВ) и наиболее низкой (изотерма DC):

η K = В этом заключается суть второго закона термодинамики. Из уравнения видно, что основным путем увеличения эффективности тепловых двигателей является повышение верхней температуры T 1 , при которой теплота подводится к рабочему телу, и понижение нижней T 2, при которой теплота отводится.

Теплота в конечном счете отводится к окружающей среде (в воздух или в воду). В связи с этим минимально возможная температура отвода теплоты близка к температуре этих сред.

Соотношение, справедливое и для обратимых (знак равенства), и для необратимых (знак >) процессов в любой системе, представляет собой аналитическое выражение второго закона термодинамики:

Относительно процессов, из которых составляется цикл Карно (см. рис. 2.1), не было выдвинуто условий их протекания, кроме того, что в процессе а теплота подводится, а в процессе b – отводится. На самом деле среди многочисленных возможных процессов часто выделяются четыре вида, условием осуществления которых есть постоянство одного из параметров состояния газа (рис. 2.2).

Изотермический процесс происходит при постоянной температуре; на TS -диаграмме изображается горизонтальными линиями.

Изоэнтропный процесс расширения или сжатия происходит без трения таким образом, что тепло к газу не подводится и не отводится (dQ =0). На TS -диаграмме этот процесс изображается вертикальными прямыми.

Изобарный процесс осуществляется при постоянном давлении p. Такие процессы очень широко представлены в природе и технике. На ТS диаграмме изобара изображена кривой линией.

Изохорные изменения состояния газа происходят, когда его нагревают или охлаждают при постоянном объеме. Изохора на TS- диаграмме изображена пунктирной кривой, более крутой, чем изобара.

Термодинамический цикл тепловых двигателей обычно состоит из ряда вышеназванных процессов. Для иллюстрации приведем в TS- диаграмме термодинамический цикл, по которому работает традиционная установка тепловой электрической станции, так называемый пароводяной цикл Ренкина (рис. 2.3).

Питательная вода, которая поступает в паровой котел, нагревается в нем (изобараа – в), испаряется (изотерма, которая совпадает с изобаройв – с), образовавшийся пар перегревается в пароперегревателе (изобарас – д) до температуры Т1. Далее в турбине происходит изоэнтропное расширение пара (изоэнтроп аd – е), а в конденсаторе при Т 2 =const – его конденсация (изотерма е – f, которая совпадает с изобарой). Затем конденсат подается в котел насосом (изоэнтроп аf – а).

Рис. 2.3. Термодинамический цикл, по которому работает традиционная установка тепловой электрической станции (пароводяной цикл Ренкина)

Второй закон (начало) термодинамики | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, презентация, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Причиной всех изменений той же воды в природе является действие ещё одного фундаментального закона природы, известного под назва­нием второго начала термодинамики.

При контакте двух тел с разной температурой тело, имеющее более высокую температуру, отдаёт некоторое количе­ство теплоты и остывает, а тело, имеющее более низкую температуру, получает некоторое количество теплоты и нагревается.

В соответствии с первым законом термодинамики возможен и такой процесс, при котором менее нагретое тело отдаёт некоторое количество теплоты и ещё сильнее остывает, а более нагретое тело получает неко­торое количество теплоты и ещё сильнее нагревается. При этом полная энергия системы сохраняется, если она замкнутая и теплоизолирован­ная. Таким образом, первый закон термодинамики ничего не говорит о направлении процесса теплообмена, т. е. о том, какое тело отдаёт энер­гию, а какое получает, и не запрещает самопроизвольную передачу энергии от холодного тела к горячему. Этот запрет накладывает вто­рой закон термодинамики, который содержит утверждение о направ­ленности процессов теплообмена.

Понятие необратимости процессов составляет содержание второго закона (начала) термодинамики, который указывает направление энергетических превращений в природе. Он имеет несколько эквива­лентных формулировок. Немецкий учёный Р. Клаузиус (1822—1888) предложил одну из них:

невозможен процесс, единственным результа­том которого был бы переход энергии от холодного тела к горячему.

Из приведённой формулировки следует: если от холодного тела энергия передаётся горячему, то при этом происходят определённые изменения в окружающих телах. В холодильнике, например, энергия передаётся от холодильной камеры среде, имеющей более высокую температуру. Но данный процесс осуществляется при совершении ра­боты над рабочим веществом (хладагентом), и при этом происходят определённые изменения в окружающей среде. Материал с сайта http://doklad-referat.ru

Мерой беспорядка термодинамической системы является физиче­ская величина, называемая энтропией (от греч. entropia — поворот, превращение). Энтропия системы тем больше, чем больший беспо­рядок характерен для её состояния. Соответственно, энтропия неупо­рядоченного состояния системы больше, чем упорядоченного, и теп­лоизолированная система самопроизвольно переходит из состояния с меньшей энтропией в состояние с большей энтропией; обратный са­мопроизвольный переход невозможен.

Второй закон термодинамики: все системы в неживой природе, предоставленные самим себе, стремятся к состоянию максимальной неупорядоченности.

Стремление к максимальной неупорядоченности сродни разруше­нию порядка — разрушается лужа при испарении воды, разрушается облако, проливаясь дождём, и т. д.

На этой странице материал по темам:
  • Реферат на тему второй закон термодинамики

  • Биологическое окисление биохимия

Вопросы по этому материалу:
  • Сформулируйте второй закон термодинамики.

  • Что такое энтропия?

Второе начало термодинамики • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Природным процессам свойственна направленность и необратимость, однако в большинстве законов, описанных в этой книге, это не находит отражения — по крайней мере, явного. Разбить яйца и сделать яичницу не сложно, воссоздать же сырые яйца из готовой яичницы — невозможно. Запах из открытого флакона духов наполняет комнату — однако обратно во флакон его не соберешь. И причина такой необратимости процессов, происходящих во Вселенной, кроется во втором начале термодинамики, который, при всей его кажущейся простоте, является одним из самых трудных и часто неверно понимаемых законов классической физики.

Прежде всего, у этого закона имеется как минимум три равноправные формулировки, предложенные в разные годы физиками разных поколений. Может показаться, что между ними нет ничего общего, однако все они логически эквивалентны между собой. Из любой формулировки второго начала математически выводятся две другие.

Начнем с первой формулировки, принадлежащей немецкому физику Рудольфу Клаузиусу (см. Уравнение Клапейрона—Клаузиуса). Вот простая и наглядная иллюстрация этой формулировки: берем из холодильника кубик льда и кладем его в раковину. По прошествии некоторого времени кубик льда растает, потому что теплота от более теплого тела (воздуха) передастся более холодному (кубику льда). С точки зрения закона сохранения энергии, нет причин для того, чтобы тепловая энергия передавалась именно в таком направлении: даже если бы лед становился всё холоднее, а воздух всё теплее, закон сохранения энергии всё равно бы выполнялся. Тот факт, что этого не происходит, как раз и свидетельствует об уже упоминавшейся направленности физических процессов.

Почему именно так взаимодействуют лед и воздух, мы можем легко объяснить, рассматривая это взаимодействие на молекулярном уровне. Из молекулярно-кинетической теории мы знаем, что температура отражает скорость движения молекул тела — чем быстрее они движутся,тем выше температура тела. Значит, молекулы воздуха движутся быстрее молекул воды в кубике льда. При соударении молекулы воздуха с молекулой воды на поверхности льда, как подсказывает нам опыт, быстрые молекулы, в среднем, замедляются, а медленные ускоряются. Таким образом, молекулы воды начинают двигаться всё быстрее, или, что то же самое, температура льда повышается. Именно это мы имеем в виду, когда говорим, что тепло передается от воздуха ко льду. И в рамках этой модели первая формулировка второго начала термодинамики логически вытекает из поведения молекул.

При перемещении какого-либо тела на какое-либо расстояние под действием определенной силы совершается работа, и различные формы энергии как раз и выражают способность системы произвести определенную работу. Поскольку теплота, отражающая кинетическую энергию молекул, представляет собой одну из форм энергии, она тоже может быть преобразована в работу. Но опять мы имеем дело с направленным процессом. Перевести работу в теплоту можно со стопроцентной эффективностью — вы делаете это каждый раз, когда нажимаете на педаль тормоза в своем автомобиле: вся кинетическая энергия движения вашего автомобиля плюс затраченная вами энергия силы нажатия на педаль через работу вашей ноги и гидравлической системы тормозов полностью превращается в теплоту, выделяющуюся в процессе трения колодок о тормозные диски. Вторая формулировка второго начала термодинамики утверждает, что обратный процесс невозможен. Сколько ни пытайтесь всю тепловую энергию превратить в работу — тепловые потери в окружающую среду неизбежны.

Проиллюстрировать вторую формулировку в действии несложно. Представьте себе цилиндр двигателя внутреннего сгорания вашего автомобиля. В него впрыскивается высокооктановая топливная смесь, которая сжимается поршнем до высокого давления, после чего она воспламеняется в малом зазоре между головкой блока цилиндров и плотно пригнанным к стенкам цилиндра свободно ходящим поршнем. При взрывном сгорании смеси выделяется значительное количество теплоты в виде раскаленных и расширяющихся продуктов сгорания, давление которых толкает поршень вниз. В идеальном мире мы могли бы достичь КПД использования выделившейся тепловой энергии на уровне 100%, полностью переведя ее в механическую работу поршня.

В реальном мире никто и никогда не соберет такого идеального двигателя по двум причинам. Во-первых, стенки цилиндра неизбежно нагреваются в результате горения рабочей смеси, часть теплоты теряется вхолостую и отводится через систему охлаждения в окружающую среду. Во-вторых, часть работы неизбежно уходит на преодоление силы трения, в результате чего, опять же, нагреваются стенки цилиндров — еще одна тепловая потеря (даже при самом хорошем моторном масле). В-третьих, цилиндру нужно вернуться к исходной точке сжатия, а это также работа по преодолению трения с выделением теплоты, затраченная вхолостую. В итоге мы имеем то, что имеем, а именно: самые совершенные тепловые двигатели работают с КПД не более 50%.

Такая трактовка второго начала термодинамики заложена в принципе Карно, который назван так в честь французского военного инженера Сади Карно. Она сформулирована раньше других и оказала огромное влияние на развитие инженерной техники на многие поколения вперед, хотя и носит прикладной характер. Огромное значение она приобретает с точки зрения современной энергетики — важнейшей отрасли любой национальной экономики. Сегодня, сталкиваясь с дефицитом топливных ресурсов, человечество, тем не менее, вынуждено мириться с тем, что КПД, например, ТЭЦ, работающих на угле или мазуте, не превышает 30-35% — то есть, две трети топлива сжигается впустую, точнее расходуется на подогрев атмосферы — и это перед лицом угрозы глобального потепления. Вот почему современные ТЭЦ легко узнать по колоссальным башням-градирням — именно в них остужается вода, охлаждающая турбины электрогенераторов, и избытки тепловой энергии выбрасываются в окружающую среду. И столь низкая эффективность использования ресурсов — не вина, а беда современных инженеров-конструкторов: они и без того выжимают близко к максимуму того, что позволяет цикл Карно. Те же, кто заявляет, что нашел решение, позволяющее резко сократить тепловые потери энергии (например, сконструировал вечный двигатель), утверждают тем самым, что они перехитрили второе начало термодинамики. С тем же успехом они могли бы утверждать, что знают, как сделать так, чтобы кубик льда в раковине не таял при комнатной температуре, а, наоборот, еще больше охлаждался, нагревая при этом воздух.

Третья формулировка второго начала термодинамики, приписываемая обычно австрийскому физику Людвигу Больцману (см. Постоянная Больцмана), пожалуй, наиболее известна. Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия — тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Больцману удалось разработать формулу для прямого математического описания степени упорядоченности системы. Давайте посмотрим, как она работает, на примере воды. В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лед — в нем молекулы воды упорядочены, будучи включенными в кристаллическую решетку. Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лед, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится. И снова мы видим пример необратимого природного физического явления.

Тут важно понимать, что речь не идет о том, что в этой формулировке второе начало термодинамики провозглашает, что энтропия не может снижаться нигде и никогда. В конце концов, растопленный лед можно поместить обратно в морозильную камеру и снова заморозить. Смысл в том, что энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах — то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки. Работающий холодильник не является изолированной замкнутой системой, поскольку он подключен к сети электропитания и получает энергию извне — в конечном счете, от электростанций, ее производящих. В данном случае замкнутой системой будет холодильник, плюс проводка, плюс местная трансформаторная подстанция, плюс единая сеть энергоснабжения, плюс электростанции. И поскольку рост энтропии в результате беспорядочного испарения из градирен электростанции многократно превышает снижение энтропии за счет кристаллизации льда в вашем холодильнике, второе начало термодинамики ни в коей мере не нарушается.

А это, я полагаю, приводит еще к одной формулировке второго начала: Холодильник не работает, если он не включен в розетку.

См. также:

Второй закон термодинамики, теория и примеры

Как известно, первое начало термодинамики отображает закон сохранения энергии в термодинамических процессах, однако оно не дает представление о направлении протекания процессов. Помимо этого можно придумать множество термодинамических процессов, которые не будут противоречить первому началу, но в реальной действительности таких процессов не существует. Существование второго закона (начала) термодинамики вызвано необходимостью установить возможность того или иного процесса. Этот закон определяет направление течения термодинамических процессов. При формулировке второго начала термодинамики используют понятия энтропии и неравенство Клаузиуса. В таком случае второй закон термодинамики формулируется как закон роста энтропии замкнутой системы, если процесс является необратимым.

Формулировки второго закона термодинамики

Если в замкнутой системе происходит процесс, то энтропия этой системы не убывает. В виде формулы второй закон термодинамики записывают как:

   

где S – энтропия; L – путь по которому система переходит из одного состояния в другое.

В данной формулировке второго начала термодинамики следует обратить внимание на то, что рассматриваемая система должна быть замкнутой. В незамкнутой системе энтропия может вести себя как угодно (и убывать, и возрастать, и оставаться постоянной). Заметим, что энтропия не изменяется в замкнутой системе при обратимых процессах.

Рост энтропии в замкнутой системе при необратимых процессах — это переход термодинамической системы из состояний с меньшей вероятностью в состояния с большей вероятностью. Известная формула Больцмана дает статистическое толкование второго закона термодинамики:

   

где k – постоянная Больцмана; w – термодинамическая вероятность (количество способов при помощи которых, может реализовываться рассматриваемое макросостояние системы). Так, второй закон термодинамики является статистическим законом, который связан с описанием закономерностей теплового (хаотического) движения молекул, которые составляют термодинамическую систему.

Другие формулировки второго закона термодинамики

Существует ряд других формулировок второго закона термодинамики:

1) Формулировка Кельвина: Невозможно создать круговой процесс, результатом которого станет исключительно превращение теплоты, которое получено от нагревателя, в работу. Из данной формулировки второго закона термодинамики делают вывод о невозможности создания вечного двигателя второго рода. Это означает, что периодически действующая тепловая машина должна иметь нагреватель, рабочее тело и холодильник. При этом КПД идеальной тепловой машины не может быть больше, чем КПД цикла Карно:

   

где – температура нагревателя; — температура холодильника; ().

2) Формулировка Клаузиуса: Невозможно создать круговой процесс в результате которого будет происходить исключительно передача тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой.

Второй закон термодинамики отмечает существенное различие между двумя формами передачи энергии (работой и теплотой). Из этого закона следует, переход упорядоченного перемещение тела, как единого целого в хаотическое движение молекул тела и внешней среды – является необратимым процессом. При этом упорядоченное движение может переходить в хаотическое без дополнительных (компенсационных) процессов. Тогда как переход неупорядоченного движения в упорядоченное должен сопровождаться компенсирующим процессом.

Примеры решения задач

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ – ВАЖНЕЙШИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ – ВАЖНЕЙШИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ

Обзор

Кузнецова А.И.1, Медведева Г.А.2, *

1, 2 Казанский государственный архитектурно-строительный университет, Казань, Россия

* Корреспондирующий автор (medvedevaga79[at]mail.ru)

Аннотация

Статья посвящена второму закону термодинамики. Ученые считают, что он устанавливает существование энтропии как функции состояния системы. Однако исходя из последних исследований можно поставить под сомнение трактовку данного закона. Применим ли он в настоящее время? В статье рассмотрены его основные формулировки, представлены формулы для вычисления энтропии, выявлена связь второго начала термическим КПД. На основе полученной информации сделан вывод о значение второго начала термодинамики и его роли в современной науке.

Ключевые слова: второй закон термодинамики, процесс, цикл. 

SECOND LAW OF THERMODYNAMICS – THE MOST IMPORTANT LAW OF NATURE

Review

Kuznetsova A.I.1, Medvedeva G.A.2, *

1, 2 Kazan State University of Architecture and Engineering, Kazan, Russia

* Corresponding author (medvedevaga79[at]mail.ru)

Abstract

The paper is devoted to the second law of thermodynamics. Scientists believe that it establishes the existence of entropy as a function of the state of the system. However, based on recent studies, the interpretation of this law can be called into question. Is it currently applicable? The article discusses its main formulations, presents formulas for calculating entropy, and reveals the relationship of the second law to thermal efficiency. Based on the information received, the authors draw a conclusion on the importance of the second law of thermodynamics and its role in modern science.

Keywords: second law of thermodynamics, process, cycle.

Введение

Все живые организмы подчиняются законам природы. Мы не можем преодолеть гравитацию точно так же, как и не можем остановить старение. Однако это не означает, что человек не стремится познать законы. Ежегодно ученые делают невероятные открытия. Например, в этом году швейцарцы  Дидье Келоз и Мишель Майор получили нобелевскую премию за теоретические открытия в физической космологии. К сожалению, не все теории ученых подтверждаются на практике. Так люди на протяжении столетий верили в возможность самозарождения жизни. До двадцатого века главной причиной перемещения материков считалось расширение Земли. А химики считали, что атом имеет форму куба. Позднее данные теории были опровергнуты. Безусловно, существуют базовые, основополагающие законы, на которых строятся последующие исследования.

Одним из таких законов является второй закон термодинамики (ТД). Почему без знания второго закона ТД нельзя обойтись в современном мире? Действительно ли он является базовым законом?

Соберем информацию о сущности второго закона, его применении и на основе полученной информации выявим его значения для развития науки.

Чем так важен 2 закон термодинамики?

Для большинства природных процессов свойственна направленность и необратимость. Например, при теплообмене между телами или при диффузии. Мы легко можем распылить духи по комнате. Произойдет диффузия, перемешивание молекул воздуха и аромата. Собрать молекулы духов обратно во флакон мы не сможем. 1-ое начало термодинамики (ТД) гласит, что в протекающие в природе процессы, не противоречат закону сохранения энергии. Однако оно не объясняет все процессы, например, оно не отрицает переход тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Для того, чтобы мы могли предсказать результат химической реакции, нам важно направление реакции.

Наблюдения ученых над тепловым двигателем показывают, что I-ый з-н ТД не сможет полностью объяснить явления преобразования энергии. Превращение механической энергии во внутреннюю происходит без соблюдения каких-либо условий. Другими словами энергия полностью превращается в теплоту. При обратном превращении останется частичка ΔU, не превращенной в механическую. Обобщая полученную информацию, в любом протекающем процессе возрастает степень неупорядоченности рассматриваемого объекта, то есть в мире происходит усиление беспорядка. Данный вывод представляет собой простейшую формулировку второго закона термодинамики. Величина, являющаяся мерой этого беспорядка, называется энтропией (S) [1].

II-й з-н ТД является результатом обобщения многих экспериментов и опытов. Он устанавливает возможный lim превращения теплоты (Q) в энергию, а также указывает какое у теплового потока направление.

Круговые циклы

Как мы знаем, многие процессы в природе цикличны. Движение планет, незатухающие колебания маятника являются яркими примерами. Также круговые циклы прекрасно иллюстрируют процессы преобразования энергии во втором законе ТД. Для того, чтобы лучше разобраться в происходящих процессах, рассмотрим цикл: (см. рисунок 1):

 

Рис. 1 – Круговой цикл

 

Из расширения тела по кривой 1-3-2 следует, что оно производит работу. Данную работу можно вычислить как площадь под графиком (плоскость 1-3-2-4-5 или по формуле работы L=P∆V). Для дальнейшего производства работы (L) тело должно вернуться в точку 1. По графику это можно сделать тремя путями:

  • 2-3-1. L расширения газа равна работе сжатия (так как площади под прямыми равны). Это значит, что ΔL будет равно 0;
  • 2-6-1. Кривая 261 находится над кривой 132, а значит, на сжатие 2-6-1 затрачивается больше работы, чем получено при расширении;
  • 2-7-1. Кривая 271 располагается под кривой 231. В данном круговом процессе работа сжатия будет наименьшей. ΔL будет положительно и равняться площади 13271.

После того, как мы разобрались в механизме процессов, рассмотрим более подробно сам второй закон термодинамики.

Формулировка второго закона термодинамики

Для того, чтобы понять II-й з-н ТД, рассмотрим основные его формулировки:

  • Карно утверждал, что «повсюду, где есть разность температур, может возникать движущая сила. Она может зависеть только от температуры тела, между которыми происходит перенос теплоты».
  • Более обобщенную формулировку закона дал Клаузиус, немецкий физик. «Если единым результатом в процессе может быть передача Q от холодного тела к нагретому, то данный процесс не будет происходить».
  • Одновременно с Клаузисом Томсоном была высказана похожая формулировка: «Невозможен процесс, единственным результатом которого является совершение работы за счет охлаждения одного тела».
  • Современные же ученые считают, что II-ой з-н ТД является законом об S, то есть устанавливает ее существование как функции состояния системы» [2].

Энтропия как важная часть второго закона

Что такое энтропия (S)? Чем она так важна? Больцман говорил «S – показатель неупорядоченности системы». На примере воды рассмотрим ее работу. В твердом состоянии молекулы упорядочены, так как находятся в составе кристаллической решетки. В жидком же состоянии они перемещаются хаотично, то есть вода представляет собой неупорядоченную структуру. Соответственно мера беспорядка, энтропия, воды будет больше, чем льда. Больцман утверждал, что без изменения внешних условий вода не сможет превратиться в лед [3]. В замкнутых системах S не может уменьшаться. Мы знаем, что при уменьшении температуры (T) системы уменьшается скорость движения молекул, а значит, увеличивается упорядоченность системы. Если отвести Q от системы, S уменьшится.

В конечном итоге система стремится к состоянию, в котором:

  • Вся полезная работа превратилась в теплоту;
  • У всех тел системы одинаковая T;
  • Произошло выравнивание давление и концентрация.

В данном состоянии энтропия достигает своего максимального значения, системе больше нет смысла изменяться.

Не менее важным является факт, что энтропия определяет возможность самопроизвольного протекания реакций. Система стремится к понижению энергии, а значит, самопроизвольно протекают процессы, которые увеличивают степень беспорядка или энтропии [4].

Для определения степени неупорядоченности системы вычисляют энтропию. Все реальные процессы протекают под действием конечной разности температур или концентраций, из чего следует:

где dS – изменение энтропии;

dQ – изменение теплоты;

Т – температура в кельвинах [5].

Точную величину значения энтропии вычисляют, например, для химических реакций. Она позволяет найти условия равновесия в реакциях, что является необходимым для дальнейшего проведения эксперимента.

Интересный факт: в настоящее время ведутся споры, являются ли черные дыры наибольшим источником энтропии или хаос передается в окружающее пространство не в столь значительных количествах благодаря мощным гравитационным силам [6].

Термический КПД

Как мы выяснили, II-й закон ТД указывает направление энергетических превращений. Для данных превращений используют огромное множество различных машин. Как же понять, какая машина работает лучше? Мы знаем, что не существует идеальных машин, которые могут работать без потери энергии. Максимизировать вырабатываемую энергию − одна из основных задач ученых. Так как они определяют степень совершенства машин?

Одной из характеристик является кпд. КПД − коэффициент полезного действия. Он показывает, какую часть теплоты машина может преобразовать в L. Соответственно, чем выше КПД, тем выше эффективность [7].

Рассмотрим круговой процесс (см. рисунок 1), рассчитаем L и удельное количество теплоты (q).

  • 172: тело расширяется, следовательно, за счет теплоты q172 совершается положительная работа L172. Часть теплоты получается от тепло отдатчика, часть за счет внутренней энергии ∆U. По первому закону термодинамики q172= L172 + ∆U;
  • 261: тело сжимается, то есть затрачивается работа − L261. Одна часть идет на увеличение внутренней энергии ∆U, другая часть − q261 отводится в теплоприемник. По I-ому закону ТД − q261=- L261 + ∆U [7].

Мы рассмотрели прямой цикл, в результате которого тело отдает работу: Lцикла= L172L261

Исходя из 1 з-на ТД=∆U+L

q= q172 – q261=∆U + (L172 – L261)

Так как тело пришло в начальное состояние, следовательно, ∆U=0. Отсюда получим формулу: q172-q261= Lцикла.

Существует общая формула для расчета кпд [4]:

Проанализируем формулу. По формуле КПД находится в прямой зависимости от количества теплоты, которое было преобразовано. Как было сказано ранее, ни одна машина не может полностью превращать всю энергию в работу, часть ее отводится в окружающую среду. Следовательно, КПД всегда < 1 [8].

Таким образом, КПД используют для определения производительности машин. А второй закон термодинамики необходим для создания электродвигателей.

Наиболее эффективный цикл − цикл Карно

Стремясь максимизировать КПД, французский физик Карно нашел круговой цикл, из которого можно получить максимальную работу. В 1824 он рассмотрел его в своем сочинении (см. рисунок 2):

Рис. 2 – Цикл Карно

 

Рассмотрим цикл детально:

  • Точка A: телу подводится теплота Q1 от источника тепла;
  • Точка B: тело изолируется от источника с адиабатным расширением, снижается его температура;
  • Точка C: тело сообщается с холодным источником, отводится теплота Q2;
  • Точка D: тело идет к начальному состоянию в результате адиабатного сжатия.

Подведенное и отведенное количество теплоты можно вычислить по изотермам [9]:

Q1=RT1lnVA/ VB

Q2=RT2lnVC/ VD

Почему были выбраны именно данные процессы? В адиабатном процессе ∆Q=0, то есть, нет потерь энергии. В изотермическом вся полученная Q превращается в L.

Так как КПД цикла Карно больше КПД других циклов, он служит своеобразным образцом при оценке тепловых двигателей. При сравнении с циклом Карно можно сделать вывод о степени совершенства тепловой машины. К сожалению, в реальных двигателях его осуществить невозможно из-за практических трудностей [10].

Значение II-ого з-на ТД в настоящее время

Проанализировав собранную информацию, можно выделить следующие значения:

  • Указывает направления протекания процессов, фактически выделяя возможные среди них;
  • Определяет состояние равновесия при данных условиях, определяя количество полученной L;
  • Устанавливает предел возможного самопроизвольного протекания процессов;
  • Позволяет найти максимум энергии, которая может быть использовано;
  • Устанавливает наиболее эффективные способы использования теплоты, определяя максимальный КПД;
  • С помощью него можно выстроить температуру шкал, которая не будет зависеть от выбора устройства для измерения температуры.

Все это имеет очень большое значение, как для исследования теоретических проблем физической химии, так и для решения различных задач прикладного характера.

Заключение

Таким образом, в сравнении с I-ым з-ом, II-ой закон обладает менее обширной областью применение. Он применим лишь к системам из большого числа частиц, так как носит статистический характер. Несмотря на это, второй закон имеет огромное значение: охватывает почти все естествознание. На нем основан весь спектр анализов, то есть большая часть астрофизики, вся теоретическая и физическая химия. Везде, где встречается превращение энергии молекул и атомов в механическую или электрическую энергию, необходим рассмотренный закон. А также применяемая в новейшее время с таким удивительным успехом гипотеза квант является естественным отпрыском второго начала термодинамики. Безусловно, прогресс не стоит на месте. В последних экспериментах ученые добились того, что тепло может начать переходить от холодного атома к горячему. Однако в данных исследованиях рассматривается квантовый мир, в котором действуют далеко не все законы физики.

II-ой закон ТД действительно является базовым законом, так как на нем базируются многие гипотезы, теоремы, а также базируются устройства различных приборов. Развитие современной науки не было бы возможно без данного закона.

Конфликт интересов

Не указан.

Conflict of Interest

None declared.

 

Список литературы / References

  1. Дикерсон Р. Основные законы химии / Р. Дикерсон, Г. Грей, Дж. Хейт. – М.: Мир, 1982. − Том 1. − 652 с.
  2. Печенкин А.А. Второй закон термодинамики и его соотношение с христианской теологией [Электронный ресурс] / Печенкин А.А. // Новые идеи в философии: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Казань, май 2016 г.). − Казань: Бук, 2016. − С. 36-43. − URL https://moluch.ru/conf/philos/archive/175/10417/ (дата обращения: 14.12.2019).
  3. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача/ В.В. Нащокин – Изд. 2-е, перераб. и доп. − М.: Высшая Школа, 1975. – 469 с.
  4. By Lisa Zyga. Jan 10, 2011 [Электронный ресурс]. – URL: http://phys.org/news/ (дата обращения: 10.03.2014).
  5. Хохрин С.Н. Физическая химия. Термодинамика химических реакций: Учебное пособие / С.Н. Хохрин, К.А. Рожков, И.В. Лунегова. – СПб.: Лань, 2015. – 112 c.
  6. Шапиро С.Л. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды / Шапиро С.Л., Тьюколски С. А. / пер. с англ. под ред. Я. А. Смородинского. М.: Мир, 1985.
  7. Бондарев Б.В. Курс общей физики. В 3-х т. Т. 3. Термодинамика. Статистическая физика. Строение вещества: Учебник для бакалавров / Б.В. Бондарев. – М.: Юрайт, 2013. – 369 c.
  8. Ковалева Т.Ю. Механика. Молекулярная физика и термодинамика / Т.Ю. Ковалева. – М.: КноРус, 2012. – 952 c.
  9. Морачевский А.Г. Физическая химия. Термодинамика химических реакций: Учебное пособие / А.Г. Морачевский, Е.Г. Фирсова. – СПб.: Лань, 2015. – 112 c.
  10. Кузнецов С.И. Курс физики. Часть I. Механика. Молекулярная физика. Термодинамика / С.И. Кузнецов. – СПб.: Лань, 2014. – 464 c.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Dickerson R. Osnovnye zakony himii [Basic laws of chemistry] / R. Dickerson, G. Gray, J. Haight. − M.: Mir, 1982. − Volume 1. − 652 p. [in Russian].
  2. Pechenkin A. A. Vtoroj zakon termodinamiki i ego sootnoshenie s hristianskoj teologiej [The second law of thermodynamics and its relationship with Christian theology] [Electronic resource] // New ideas in philosophy: materials of the II Intern. scientific conf. (Kazan, May 2016). − Kazan: Buk, 2016. − Р. 36-43. − URL https://moluch.ru/conf/philos/archive/175/10417/ (accessed: 14.12.2019) [in Russian].
  3. Nashchokin V.V. Tekhnicheskaya termodinamika i teploperedacha [Technical thermodynamics and heat transfer] / V.V. Nashchokin − Ed. 2nd, rev. and add. − M.: Higher School, 1975. − 469 p. [in Russian].
  4. By Lisa Zyga. Jan 10, 2011 [Electronic resource]. URL: http://phys.org/news/ (accessed: 03/10/2014). [in Russian].
  5. Khokhrin S.N. Fizicheskaya himiya. Termodinamika himicheskih reakcij: Uchebnoe posobie [Physical chemistry. Thermodynamics of chemical reactions: Textbook] / S.N. Khokhrin, K.A. Rozhkov, I.V. Lunegova. − St. Petersburg: Doe, 2015. − 112 p. [in Russian].
  6. Shapiro S.L. Chernye dyry, belye karliki i nejtronnye zvezdy [Black holes, white dwarfs and neutron stars] / Shapiro S. L., Tjukolski S. A. / trans. from English under the editorship of J. A. Smorodinsky. M.: World, 1985. [in Russian].
  7. Bondarev B.V. Kurs obshchej fiziki [General physics course]. In 3 vols. V. 3. Thermodynamics. Statistical Physics. The structure of the substance: Textbook for bachelors / B.V. Bondarev. − M.: Yurayt, 2013 . − 369 p. [in Russian].
  8. Kovaleva T.Yu. Mekhanika. Molekulyarnaya fizika i termodinamika [Mechanics. Molecular Physics and Thermodynamics] / T.Yu. Kovaleva. − M.: KnoRus, 2012. − 952 p. [in Russian].
  9. Morachevsky A.G. Fizicheskaya himiya. Termodinamika himicheskih reakcij: Uchebnoe posobie [Physical chemistry. Thermodynamics of chemical reactions: Textbook] / A.G. Morachevsky, E.G. Firsova. − St. Petersburg: Doe, 2015. − 112 p. [in Russian].
  10. Kuznetsov S.I. Kurs fiziki. Chast’ I. Mekhanika. Molekulyarnaya fizika. Termodinamika [Physics course. Part I. Mechanics. Molecular physics. Thermodynamics] / S.I. Kuznetsov. − St. Petersburg: Doe, 2014. − 464 p. [in Russian].

Закон термодинамики второй — Справочник химика 21

    Формулировки второго закона термодинамики. Второй закон термодинамики, как и первый, является постулатом, обоснованным большим опытом, накопленным человечеством. Он выражается разными, но по сути эквивалентными формулировками. В качестве одной из них принят постулат Клаузиуса (1850 г.) теплота не может пере- [c.90]

    Формулировки второго закона термодинамики. Второй закон (начало, принцип) термодинамики, как и первый, был установлен как постулат, обоснованный опытным материалом, накопленным человечеством доказательством второго закона служит то, что свойства термодинамических систем не находятся в противоречии ни с ним самим, ни с каким-либо из следствий, строго вытекающих из него. Второй закон был изложен в работах Клаузиуса (1850) и В. Томсона (Кельвин) (1851). Можно дать разные формулировки второго закона, ио существу равноценные. [c.212]


    Энтропия и вероятность. Статистический характер второго закона термодинамики. Второй закон термодинамики можно назвать законом возрастания энтропии при самопроизвольном процессе в изолированной системе. В связи с этим очень важно выяснить физические причины необратимости реальных процессов и возрастания энтропии. [c.98]

    Все выводы получены на основании лишь первого закона термодинамики (второй закон здесь пока не использован). [c.59]

    Формулировки второго закона термодинамики. Второй закон (начало, принцип) термодинамики, так же как и первый, был установлен как постулат, обоснованный всем опытным материалом, накопленным человечеством доказательством второго закона служит то, что свойства термодинамических систем не находятся в противоречии ни с ним самим, ни с каким-либо нз следствий, строго вытекающих из него. Второй закон был изложен в работах Клаузиуса (1850) и В. Томсона (Кельвин) (1851). Можно дать разные формулировки второго закона, по существу равноценные. Строгий вывод следствий из второго начала термодинамики связан со значительными затруднениями. Вслед за методом Карно — Клаузиуса — Томсона были разработаны два более строгих метода первый — киевским профессором Н. И. Шиллером в 1896 г. (этот метод в 1909 г. был развит Каратеодори) и второй К. А, Путиловым в 1937 г. [c.281]

    Процессы, которые в природе протекают сами собой, называются самопроизвольными или естественными. Процессы, которые требуют для своего протекания затраты энергии, называются несамопроизвольными. В изолированной системе, ввиду отсутствия внешнего воздействия, могут протекать только самопроизвольные процессы. Протекание таких процессов завершается равновесным состоянием, из которого сама система без сообщения ей энергии извне выйти уже не сможет. Определение условий, при которых будет протекать самопроизвольный процесс, и условий, при которых наступает состояние равновесия в системе, представляет большой теоретический и практический интерес. Но основании первого закона термодинамики нельзя сделать каких-либо выводов о направлении процесса и состоянии равновесия. Для выяснения этих вопросов используется второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики, как и первый, — результат обобщения человеческого опыта и является одним из фундаментальных законов природы. Он был установлен в результате исследования коэффициента полезного действия тепловых машин. [c.218]

    Принцип сохранения энергии выражен в первом законе термодинамики второй закон термодинамики характеризует вырождение энергии в ходе необратимых процессов. [c.19]


    В отличие от первого закона термодинамики, второй закон обладает более ограниченной областью применения. Он носит статистический характер и применим поэтому лишь к системам из большого числа частиц, т. е. таким, поведение которых может быть выражено законами статистики. [c.206]

    Выражения (11.31) и (II.31а) показывают, что Qp и различаются на работу расширения, равную AnRT. Действительно, если процесс идет при V = onst, то вся теплота, направленная в систему, расходуется на приращение ее химической энергии (допускается, что в рассматриваемой системе единственно возможная работа—это работа расширения). Если тот же процесс проводится при Р — onst, то к приращению химической энергии добавляется еще и работа расширения системы, в результате чего расход теплоты увеличивается (см. Формулировку первого закона термодинамики, второй вариант). [c.70]

    Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики существенным образом ограничивает возможность самопроизвольного превращения энергии в замкнутой системе. Особенное значение имеет тот факт, что при постоянной температуре теплота не может самопроизвольно превращаться в полезную работу. [c.29]

    Задач, помещенных в конце каждой главы, стало больше, и сами задачи стали лучше, причем большая их часть снабжена ответами. Даны литературные ссылки на более поздние работы, добавлено много новых ссылок. Значительно расширен материал о силах притяжения между ионами, атомами и молекулами. В первую главу включен раздел о температуре и о нулевом законе термодинамики. Вторая глава знакомит читателя с маленьким существом, известным под именем демона Максвелла там же дан значительно более строгий вывод кинетического уравнения газов, кратко затронуты вопросы статистической термодинамики. 13 третьей главе расширен раздел о свободной энергии и химическом равновесии, обсуждается вопрос о влиянии температуры на химическое равновесие. В четвертую главу добавлен материал о гидролизе АТФ, а также о целлюлозных ионообменниках, используемых при очистке белков. В пятой главе дополнительно рассматривается кислородный электрод в нее включен также новый раздел об электрических потенциалах и о движении ионов через мембраны. В шестой главе [c.7]

    Следует отметить, что первый случай отвечает условию применимости третьего закона термодинамики, второй — его ограни нию для кристаллов, построенных из разноименно заряженных частиц, для которых необходимо зачитывать эффект смешения (энтропию смешения). [c.38]


Второй закон термодинамики

Термодинамика — это раздел физики который имеет дело с энергией и работой системы. Термодинамика имеет дело только с крупномасштабный ответ системы, которую мы можем наблюдать и измерять в экспериментах. В аэродинамике термодинамика газа, очевидно, играет важную роль в анализе двигательные установки но и в понимании высокоскоростные потоки. В первый закон термодинамики определяет отношения между различными формами энергия, присутствующая в системе (кинетическая и потенциальная), Работа что система выполняет и передача тепла.Первый закон гласит, что энергия сохраняется во всех термодинамических процессах.

Мы можем представить себе термодинамические процессы, которые сохраняют энергию но которые никогда не встречаются в природе. Например, если мы поднесем горячий предмет в контакта с холодным предметом, мы наблюдаем, что горячий предмет остывает и холодный объект нагревается до достижения равновесия. Передача тепла идет от горячий объект к холодному объекту. Однако мы можем представить себе систему, в которой вместо этого тепло передается от холодного объекта к горячему, и такая система не нарушает первый закон термодинамики.Холод объект становится холоднее, а горячий объект становится горячее, но энергия сохраняется. Очевидно, что мы не встречаем такой системы в природе и Чтобы объяснить это и подобные наблюдения, термодинамики предложили секунд Закон термодинамики . Классиус, Кельвин и Карно предложили различные формы второго закона, чтобы описать конкретную физическую проблему, которую каждый изучение. Изложенное на слайде описание второго закона было взято. из учебника Холлидея и Резника «Физика».Начинается с определения новой переменной состояния, называемой энтропия. Энтропия имеет множество физические интерпретации, включая статистический беспорядок системы, но для наших целей будем считать энтропию просто еще одним свойством системы, например энтальпия или температура.

Второй закон гласит, что существует полезное состояние переменная называется энтропией S . Изменение энтропии дельта S равно теплопередача дельта Q разделенная по температуре Т .

дельта S = дельта Q / T

Для данного физического процесса общая энтропия система и окружающая среда остаются постоянными, если процесс может быть наоборот. Если обозначить начальное и конечное состояния системы буквами «i» и «f»:

Sf = Si (обратимый процесс)

Пример обратимого процесса В идеале заставляет течь через суженную трубу. Идеально означает отсутствие потерь в пограничном слое. Когда поток движется через сужение, давление, температура и изменение скорости, но эти переменные возвращаются к исходному значения после сужения.В штат газа возвращается в исходное состояние и изменение энтропии системы равна нулю. Инженеры называют такой процесс изоэнтропический процесс. Изэнтропия означает постоянную энтропию.

Второй закон гласит, что если физический процесс необратимый , объединенный энтропия системы и окружающая среда должна увеличиться до . Конечная энтропия должна быть больше, чем начальная энтропия необратимого процесса:

Sf> Si (необратимый процесс)

Примером необратимого процесса является проблема обсуждается во втором абзаце.Горячий предмет соприкасается с холодным предметом. В конце концов, они оба достигают одинаковой температуры равновесия. Если мы тогда разделяют объекты, которые остаются при равновесной температуре, и естественным образом не возвращаются к исходной температуре. В процесс доведения их до одинаковой температуры необратим.


Действия:

Экскурсии с гидом
  • Термодинамика:

Навигация..


Руководство для начинающих Домашняя страница

2-й закон термодинамики — Chemistry LibreTexts

Второй закон термодинамики гласит, что состояние энтропии всей Вселенной, как изолированной системы, всегда будет увеличиваться с течением времени. Второй закон также гласит, что изменения энтропии во Вселенной никогда не могут быть отрицательными.

Введение

Почему, когда вы оставляете кубик льда при комнатной температуре, он начинает таять? Почему мы стареем, а не моложе? И почему всякий раз, когда комнаты убираются, в будущем они снова становятся беспорядочными? Определенные вещи происходят в одном направлении, а не в другом, это называется «стрелой времени», и она охватывает все области науки.Термодинамическая стрела времени (энтропия) — это измерение беспорядка в системе. Обозначаемое как \ (\ Delta S \), изменение энтропии предполагает, что само время асимметрично по отношению к порядку изолированной системы, что означает: система станет более неупорядоченной по мере увеличения времени.

Вероятности

Если данное состояние может быть достигнуто несколькими способами, то оно более вероятно, чем состояние, которое может быть достигнуто меньшим числом способов / одним способом.

Предположим, что коробка, заполненная кусочками головоломки, была перемешана в ее коробке, вероятность того, что кусок головоломки приземлится случайно, далеко от того места, где он идеально подходит, очень высока.Почти каждый кусок головоломки приземлится где-нибудь далеко от своего идеального положения. Вероятность того, что кусок головоломки правильно приземлится на своем месте, очень низка, так как это может произойти только в одном направлении. Таким образом, неуместные части головоломки имеют гораздо большее количество элементов, чем правильно размещенные части головоломки, и мы можем правильно предположить, что неуместные части головоломки представляют собой более высокую энтропию.

Вывод и объяснение

Чтобы понять, почему энтропия увеличивается и уменьшается, важно понимать, что два изменения энтропии должны всегда учитываться.Изменение энтропии окружающей среды и изменение энтропии самой системы. Учитывая изменение энтропии Вселенной, эквивалентно сумме изменений энтропии системы и окружающей среды:

\ [\ Delta S_ {univ} = \ Delta S_ {sys} + \ Delta S_ {surr} = \ dfrac {q_ {sys}} {T} + \ dfrac {q_ {surr}} {T} \ label { 1} \]

При изотермическом обратимом расширении тепло q, поглощаемое системой из окружающей среды, составляет

\ [q_ {rev} = nRT \ ln \ frac {V_ {2}} {V_ {1}} \ label {2} \]

Поскольку количество тепла, поглощаемого системой, является количеством, потерянным окружающей средой, \ (q_ {sys} = — q_ {surr} \).Следовательно, для действительно обратимого процесса изменение энтропии составляет

\ [\ Delta S_ {univ} = \ dfrac {nRT \ ln \ frac {V_ {2}} {V_ {1}}} {T} + \ dfrac {-nRT \ ln \ frac {V_ {2}} {V_ {1}}} {T} = 0 \ label {3} \]

Если процесс необратим, изменение энтропии равно

\ [\ Delta S_ {univ} = \ frac {nRT \ ln \ frac {V_ {2}} {V_ {1}}} {T}> 0 \ label {4} \]

Если мы сложим два уравнения для \ (\ Delta S_ {univ} \) вместе для обоих типов процессов, у нас останется второй закон термодинамики,

\ [\ Delta S_ {univ} = \ Delta S_ {sys} + \ Delta S_ {surr} \ geq0 \ label {5} \]

, где \ (\ Delta S_ {univ} \) равно нулю для действительно обратимого процесса и больше нуля для необратимого процесса.В действительности, однако, действительно обратимые процессы никогда не происходят (или могут произойти бесконечно долго), поэтому можно с уверенностью сказать, что все термодинамические процессы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, необратимы в том направлении, в котором они происходят.

Второй закон термодинамики также может быть заявлен, что «все спонтанных процессов производят увеличение энтропии Вселенной».

Свободная энергия Гиббса

Дано другое уравнение:

\ [\ Delta S_ {total} = \ Delta S_ {univ} = \ Delta S_ {surr} + \ Delta S {sys} \ label {6} \]

Формула изменения энтропии в окружающей среде: \ (\ Delta S_ {surr} = \ Delta H_ {sys} / T \).Если это уравнение заменить в предыдущей формуле, а затем умножить уравнение на T и на -1, получится следующая формула.

\ [- T \, \ Delta S_ {univ} = \ Delta H_ {sys} -T \, \ Delta S_ {sys} \ label {7} \]

Если левую часть уравнения заменить на \ (G \), которая известна как энергия Гиббса или свободная энергия, уравнение принимает вид

\ [\ Delta G _ {} = \ Delta H-T \ Delta S \ label {8} \]

Теперь гораздо проще сделать вывод, является ли система спонтанной, несамопроизвольной или равновесной.

  • \ (\ Delta H \) относится к изменению тепла для реакции. Положительное значение \ (\ Delta H \) означает, что тепло отбирается из окружающей среды (эндотермическое). Отрицательное значение \ (\ Delta H \) означает, что тепло выделяется или передается окружающей среде (экзотермическое).
  • \ (\ Delta G \) — это мера изменения свободной энергии системы, в которой реакция протекает при постоянном давлении (\ (P \)) и температуре (\ (T \)).

Согласно уравнению, когда энтропия уменьшается, а энтальпия увеличивается, изменение свободной энергии \ (\ Delta G _ {} \) является положительным, а не спонтанным, и не имеет значения, какова температура системы.Температура вступает в игру, когда энтропия и энтальпия увеличиваются или оба уменьшаются. Реакция не является спонтанной, когда и энтропия, и энтальпия положительны и при низких температурах, и реакция является спонтанной, когда и энтропия, и энтальпия положительны и при высоких температурах. Реакции являются спонтанными, когда энтропия и энтальпия отрицательны при низких температурах, и реакция не является спонтанной, когда энтропия и энтальпия отрицательны при высоких температурах. Поскольку все спонтанные реакции увеличивают энтропию, можно определить, изменяется ли энтропия в соответствии со спонтанным характером реакции (уравнение \ (\ ref {8}).

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): матрица условий, определяющих спонтанность
Корпус \ (\ Delta H \) \ (\ Delta S \) \ (\ Delta G \) Ответ
высокотемпературный + Самопроизвольно
низкотемпературный + Самопроизвольно
высокотемпературный + Непроизвольно
низкотемпературный Самопроизвольно
высокотемпературный + + Самопроизвольно
низкотемпературный + + + Непроизвольно
высокотемпературный + + Непроизвольно
низкотемпературный + + Непроизвольно

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Начнем с простой реакции:

\ [2 H_ {2 (g)} + O_ {2 (g)} \ rightarrow 2 H_2O _ {(g)} \]

Энтальпия, \ (\ Delta H _ {} \), для этой реакции равна -241.82 кДж, а энтропия \ (\ Delta S _ {} \) этой реакции составляет -233,7 Дж / К. Если температура составляет 25º C, то информации достаточно для расчета стандартного изменения свободной энергии \ (\ Delta G _ {} \).

Первый шаг — преобразовать температуру в градусы Кельвина, поэтому прибавьте 273,15 к 25, и температура будет равна 298,15 К. Следующий плагин \ (\ Delta H _ {} \), \ (\ Delta S _ {} \) и температура в папку \ (\ Delta G = \ Delta HT \ Delta S _ {} \).

\ (\ Delta G \) = -241,8 кДж + (298,15 К) (- 233,7 Дж / К)

= -241.8 кДж + -69,68 кДж (не забудьте перевести Джоули в Килоджоули)

= -311,5 кДж

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Вот немного более сложная реакция:

\ [2 ZnO _ {(s)} + 2 C _ {(g)} \ rightarrow 2 Zn _ {(s)} + 2 CO _ {(g)} \]

Если эта реакция происходит при комнатной температуре (25º C) и энтальпии, \ (\ Delta H _ {} \), и стандартной свободной энергии, \ (\ Delta G _ {} \), дается -957,8 кДж и -935,3 кДж соответственно. Нужно работать в обратном направлении, используя то же уравнение из примера 1 для свободной энергии.

-935,3 кДж = -957,8 кДж + (298,15 К) (\ (\ Delta S _ {} \))

22,47 кДж = (298,15 K) (\ (\ Delta S _ {} \)) (прибавить -957,8 кДж с обеих сторон)

0,07538 кДж / К = \ (\ Delta S _ {} \) (разделить на 298,15 К в обе стороны)

Умножьте энтропию на 1000, чтобы преобразовать ответ в Джоули, и новый ответ составит 75,38 Дж / К.

Пример \ (\ PageIndex {3} \)

Для следующей реакции диссоциации

\ [O_ {2 (g)} \ rightarrow 2 O _ {(g)} \]

при каких температурных условиях это произойдет самопроизвольно?

Раствор

Просто наблюдая за реакцией, можно определить, что количество молей реакции увеличивается, поэтому увеличивается энтропия.Теперь все, что нужно сделать, это вычислить энтальпию реакции. Энтальпия положительная, потому что ковалентные связи разорваны. Когда ковалентные связи разрываются, энергия поглощается, что означает, что энтальпия реакции положительна. Другой способ определить, является ли энтальпия положительной, — использовать данные о пласте и вычесть энтальпию реагентов из энтальпии продуктов для расчета общей энтальпии. Таким образом, если температура низкая, вероятно, что \ (\ Delta H _ {} \) больше, чем \ (T * \ Delta S _ {} \), что означает, что реакция не является спонтанной.Если температура велика, то \ (T * \ Delta S _ {} \) будет больше энтальпии, что означает, что реакция является спонтанной.

Пример \ (\ PageIndex {4} \)

Следующая реакция

\ [CO _ {(g)} + H_2O _ {(g)} \ rightleftharpoons CO_ {2 (g)} + H_ {2 (g)} \]

возникает самопроизвольно при каких температурных условиях? Энтальпия реакции -40 кДж.

Раствор

Может потребоваться вычислить энтальпию реакции, но в данном случае она дана.Если энтальпия отрицательна, реакция экзотермична. Теперь нужно выяснить, больше ли энтропия нуля, чтобы ответить на вопрос. Используя данные об энтропии образования и данные об энтальпии образования, можно определить, что энтропия реакции составляет -42,1 Дж / К, а энтальпия составляет -41,2 кДж. Поскольку энтальпия и энтропия отрицательны, спонтанный характер зависит от температуры реакции. Температура также будет определять спонтанный характер реакции, если и энтальпия, и энтропия положительны.Когда реакция происходит при низкой температуре, изменение свободной энергии также отрицательное, что означает, что реакция является спонтанной. Однако, если реакция происходит при высокой температуре, реакция становится неспонтанной, поскольку изменение свободной энергии становится положительным, когда высокая температура умножается на отрицательную энтропию, поскольку энтальпия не так велика, как энтальпия продукта.

Пример \ (\ PageIndex {5} \)

При каких температурных условиях происходит самопроизвольно следующая реакция?

\ [H_ {2 (g)} + I _ {(g)} \ rightleftharpoons 2 HI _ {(g)} \]

Раствор

Только после расчета энтальпии и энтропии реакции можно ответить на вопрос.Расчетная энтальпия реакции составляет -53,84 кДж, а энтропия реакции составляет 101,7 Дж / К. В отличие от двух предыдущих примеров, температура не влияет на спонтанный характер реакции. Если реакция происходит при высокой температуре, изменение свободной энергии все еще отрицательное, а \ (\ Delta G _ {} \) все еще отрицательное, если температура низкая. Глядя на формулу спонтанного изменения, можно легко прийти к такому же выводу, поскольку нет никакого способа, чтобы изменение свободной энергии было положительным.Следовательно, реакция протекает самопроизвольно при всех температурах.

Применение Второго закона

Второй закон проявляется повсюду вокруг нас все время, существуя как самая большая, самая мощная и общая идея во всей науке.

Объяснение возраста Земли

Когда ученые пытались определить возраст Земли в течение 1800-х годов, им не удалось даже приблизиться к принятому сегодня значению. Они также были неспособны понять, как изменилась Земля.Лорд Кельвин, о котором упоминалось ранее, первым выдвинул гипотезу о том, что поверхность Земли чрезвычайно горячая, как поверхность Солнца. Он считал, что земля медленно остывает. Используя эту информацию, Кельвин применил термодинамику, чтобы прийти к выводу, что Земле было не менее двадцати миллионов лет, поскольку Земле потребуется примерно столько времени, чтобы остыть до ее нынешнего состояния. Двадцать миллионов лет были даже близко к фактическому возрасту Земли, но это потому, что ученые во времена Кельвина не знали о радиоактивности.Несмотря на то, что Кельвин ошибался относительно возраста планеты, использование им второго закона позволило ему предсказать более точное значение, чем другие ученые того времени.

Эволюция и второй закон

Некоторые критики утверждают, что эволюция нарушает второй закон термодинамики, потому что организация и сложность эволюции возрастают. Однако этот закон относится только к изолированным системам, а Земля не является изолированной системой или замкнутой системой. Это очевидно из-за постоянного увеличения энергии на Земле из-за тепла, исходящего от Солнца.Таким образом, порядок может становиться более организованным, Вселенная в целом становится более неорганизованной, поскольку Солнце высвобождает энергию и становится неупорядоченным. Это связано с тем, как связаны второй закон и космология, что хорошо объясняется в видео ниже.

Второй закон термодинамики

Второй закон

Второй закон термодинамики гласит, что передача тепла происходит самопроизвольно только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.

Цели обучения

Противопоставьте понятие необратимости между Первым и Вторым законами термодинамики

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Многие термодинамические явления, разрешенные первым законом термодинамики, никогда не происходят в природе.
  • Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, и второй закон термодинамики имеет дело с направлением, принимаемым спонтанными процессами.
  • Согласно второму закону термодинамики, ни один процесс не может иметь теплопередачу от более холодного объекта к более горячему как единственный результат.
Ключевые термины
  • энтропия : мера того, насколько равномерно энергия (или какое-либо аналогичное свойство) распределяется в системе.
  • первый закон термодинамики : версия закона сохранения энергии, специально предназначенная для термодинамических систем.Обычно выражается как ΔU = Q − W.

Необратимость

Второй закон термодинамики касается направления, принимаемого спонтанными процессами. Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, то есть они необратимы при заданном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение всей жизни Вселенной.Точнее, необратимый процесс — это процесс, зависящий от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально отличается, и процесс не может быть обратимым.

Например, тепло включает передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект, соприкасающийся с горячим, никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его более горячим. Кроме того, механическая энергия, такая как кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую за счет трения, но обратное невозможно.Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не начинает двигаться. Еще один пример — расширение потока газа, введенного в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Случайное движение молекул газа могло бы вернуть их всех в угол, но этого никогда не происходит.

Односторонняя обработка в природе : Примеры односторонних процессов в природе. (а) Теплообмен происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему.(б) Тормоза этого автомобиля преобразуют кинетическую энергию в теплоотдачу в окружающую среду. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, попадающего в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить каждую часть камеры. Случайные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.

Второй закон термодинамики

Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, предполагает, что существует закон, запрещающий их возникновение. Первый закон термодинамики позволяет им происходить — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии.Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эти многие способы эквивалентны. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, фундаментально влияя на многие очевидно несопоставимые процессы. Уже знакомое направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

Второй закон термодинамики (первое выражение): Передача тепла происходит спонтанно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.

Закон гласит, что ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от холодильника к более горячему объекту.Позже мы выразим закон в других терминах, особенно в терминах энтропии.

Тепловые двигатели

В термодинамике тепловой двигатель — это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу.

Цели обучения

Обоснуйте, почему КПД — один из важнейших параметров для любой тепловой машины

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Циклический процесс возвращает систему, например, газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла.В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы.
  • Второй закон термодинамики можно выразить следующим образом: ни в какой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать работу в циклический процесс, в котором система возвращается в исходное состояние.
  • Эффективность теплового двигателя (Eff) определяется как чистая выходная мощность двигателя W, разделенная на теплопередачу к двигателю: [latex] \ text {Eff} = \ frac {\ text {W}} {\ text { Q} _ \ text {h}} = 1 — \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex], где Q c и Q h обозначает передачу тепла к горячему (двигатель) и холодному (окружающая среда) резервуару.
Ключевые термины
  • тепловая энергия : Внутренняя энергия системы в термодинамическом равновесии, обусловленная ее температурой.
  • внутренняя энергия : сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно, энергия, необходимая для создания системы, за исключением энергии, необходимой для перемещения ее окружения.

В термодинамике тепловой двигатель — это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу.Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи от какого-либо источника. Теплоотдача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается Q h , теплопередача в холодный объект (или холодный резервуар) — Q c , а работа, выполняемая двигателем, равна W. горячий и холодный резервуары — T h и T c соответственно.

Теплопередача : (a) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному в соответствии со вторым законом термодинамики.(б) Тепловой двигатель, представленный здесь кружком, использует часть теплопередачи для выполнения работы. Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — рабочая мощность, а Qc — теплоотдача в холодный резервуар.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

Поскольку горячий резервуар нагревается извне, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно.Фактически, мы бы хотели, чтобы W равнялось Q h , и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду (Q c = 0). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики (второе выражение) также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы: Ни в одной системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать работу в циклический процесс, в котором система возвращается к его исходное состояние.

Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла.В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон в его второй форме четко гласит, что такие двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплопередачи в выполненную работу.

КПД

Циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. По определению, внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU = 0. Первый закон термодинамики гласит, что ΔU = Q-W, где Q — чистая теплопередача во время цикла (Q = Q h -Q c ), а W — чистая работа, выполненная системой.Поскольку ΔU = 0 для полного цикла, то W = Q. Таким образом, чистая работа, выполняемая системой, равна чистому теплопередаче в систему, или

[латекс] \ text {W} = \ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c} [/ latex] (циклический процесс),

, как показано схематически на (b).

КПД — один из важнейших параметров любой тепловой машины. Проблема в том, что во всех процессах происходит значительная передача тепла Q c , теряемого в окружающую среду. При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получить меньше, чем вкладываем.Мы определяем эффективность теплового двигателя ( Eff ) как его полезную мощность W, деленную на теплопередачу к двигателю Q ч:

[латекс] \ text {Eff} = \ frac {\ text {W}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex].

Поскольку W = Q h −Q c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

[латекс] \ text {Eff} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} = 1 — \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex] (для циклического процесса),

, поясняющий, что эффективность 1, или 100%, возможна только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду (Q c = 0).

Циклы Карно

Цикл Карно — наиболее эффективный из возможных циклических процессов, в котором используются только обратимые процессы.

Цели обучения

Проанализировать, почему двигатель Карно считается идеальным двигателем

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Второй закон термодинамики показывает, что двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД по сравнению с любым тепловым двигателем, работающим между этими двумя температурами.
  • Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, которые снижают эффективность двигателя. Очевидно, обратимые процессы лучше с точки зрения эффективности.
  • КПД Карно, максимально достижимый КПД теплового двигателя, задается как [латекс] \ text {Eff} _ \ text {c} = 1- \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text { T} _ \ text {h}} [/ латекс].
Ключевые термины
  • второй закон термодинамики : Закон, гласящий, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, потому что изолированные системы спонтанно развиваются к термодинамическому равновесию — состоянию максимальной энтропии.Точно так же вечные двигатели второго типа невозможны.
  • тепловой двигатель : Любое устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Мы знаем из второго закона термодинамики, что тепловая машина не может быть на 100 процентов эффективна, поскольку всегда должна быть некоторая передача тепла Q c в окружающую среду. (См. Наш атом в разделе «Тепловые двигатели».) Насколько эффективна тогда тепловая машина? На этот вопрос теоретически ответил в 1824 году молодой французский инженер Сади Карно (1796-1832) в своем исследовании появившейся в то время технологии тепловых двигателей, имеющих решающее значение для промышленной революции.Он разработал теоретический цикл, который теперь называется циклом Карно, который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов. Второй закон термодинамики можно переформулировать в терминах цикла Карно, и поэтому Карно фактически открыл этот фундаментальный закон. Любой тепловой двигатель, использующий цикл Карно, называется двигателем Карно.

Для цикла Карно критически важно то, что используются только обратимые процессы. Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, такими как трение и турбулентность.Это увеличивает теплоотдачу Q c в окружающую среду и снижает КПД двигателя. Очевидно, что обратимые процессы лучше.

Второй закон термодинамики (третья форма): Двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД по сравнению с любым тепловым двигателем, работающим между этими двумя температурами. Кроме того, все двигатели, в которых используются только обратимые процессы, имеют одинаковую максимальную эффективность при работе между одинаковыми заданными температурами.

КПД

Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.

PV-диаграмма для цикла Карно : PV-диаграмма для цикла Карно, использующая только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Передача тепла Qh в рабочее тело происходит на изотермическом пути AB, который происходит при постоянной температуре Th. Теплоотдача Qc происходит из рабочего тела на изотермическом пути CD, который происходит при постоянной температуре Tc.Выход сети W равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах Th и Tc.

Карно также определил эффективность идеального теплового двигателя, то есть двигателя Карно. Всегда верно, что эффективность циклической тепловой машины определяется следующим образом: [latex] \ text {Eff} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c }} {\ text {Q} _ \ text {h}} = 1- \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex] .

Карно обнаружил, что для идеального теплового двигателя отношение Q c / Q h равно отношению абсолютных температур тепловых резервуаров.То есть Q c / Q h = T c / T h для двигателя Карно, так что максимальная эффективность Карно Eff C определяется как [латекс] \ text {Eff } _ \ text {c} = 1- \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text {T} _ \ text {h}} [/ latex], где T h и T c в кельвинах. (Вывод формулы немного выходит за рамки этого атома.) Никакая настоящая тепловая машина не может работать так же хорошо, как КПД Карно — фактический КПД около 0,7 от этого максимума обычно является лучшим, что может быть достигнуто.

Тепловые насосы и холодильники

Тепловой насос — это устройство, которое передает тепловую энергию от источника тепла к радиатору против перепада температур.

Цели обучения

Объясните, как компоненты теплового насоса вызывают передачу тепла от холодного резервуара к горячему резервуару

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Тепловой насос предназначен для передачи тепла Qh в теплую среду, например в дом зимой.
  • Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Qc происходила из прохладной окружающей среды, например, охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды.
  • Тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном устройстве. Это стало возможным за счет изменения направления потока хладагента и изменения направления полезной теплопередачи.
Ключевые термины
  • CFC : органическое соединение, которое обычно использовалось в качестве хладагента.Больше не используется из-за разрушения озонового слоя.

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему. Передача тепла (Q c ) происходит из холодного резервуара в горячий. Для этого требуется рабочая мощность W, которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет Q ч = Q c + W. Задача теплового насоса заключается в передаче тепла Q h в теплую среду, например в дом зимой.Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Q c происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды. На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном устройстве. В этом разделе мы сконцентрируемся на его режиме нагрева.

Тепловые насосы

В основном тепловом насосе используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC.Основными компонентами теплового насоса являются конденсатор, расширительный клапан, испаритель и компрессор. В наружных змеевиках (испарителе) теплоотдача Q c происходит к рабочему телу от холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость.Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

Простой тепловой насос : Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор.

Коэффициент полезного действия

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q ч происходит в теплое пространство по сравнению с тем, сколько работы W требуется.Мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса (COP л.с. ) равным

.

[латекс] \ text {COP} _ {\ text {hp}} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h}} {\ text {W}} [/ latex].

Поскольку КПД теплового двигателя составляет Eff = W / Q h , мы видим, что COP л.с. = 1/ Eff . Поскольку КПД любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что COP л.с. всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу Q ч , чем вложенная в него работа.Еще один интересный момент заключается в том, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур. КПД идеального двигателя (или двигателя Карно) составляет

.

[латекс] \ text {Eff} _ \ text {C} = 1 \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text {T} _ \ text {h}} [/ latex];

таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и тем больше КС л.с. .

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде.Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холода к горячему требуется дополнительная работа. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, какая теплоотдача Q c происходит из холодной среды по сравнению с тем, сколько работы W требуется. То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отработанным теплом. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия (COP ref ) кондиционера или холодильника как

.

[латекс] \ text {COP} _ {\ text {ref}} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {W}} [/ latex].

Поскольку Q h = Q c + W и COP л.с. = Q h / Вт, получаем, что

[латекс] \ text {COP} _ {\ text {ref}} = \ text {COP} _ {\ text {hp}} -1 [/ латекс].

Кроме того, из Q h > Q c мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос.

12.3 Второй закон термодинамики: энтропия — физика

Цели обучения разделу

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Опишите энтропию
  • Опишите второй закон термодинамики
  • Решение задач, связанных со вторым началом термодинамики

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (6) Научные концепции.Учащийся знает, что в физической системе происходят изменения, и применяет законы сохранения энергии и количества движения. Ожидается, что студент:
    • (ГРАММ) анализировать и объяснять повседневные примеры, которые иллюстрируют законы термодинамики, включая закон сохранения энергии и закон энтропии

Раздел Основные термины

энтропия Второй закон термодинамики

Энтропия

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] [AL] Проверить температуру и абсолютную температуру.Вспомните предыдущие дискуссии об эффективности двигателя. Оцените понимание учащимися эффективности.

Вспомните из введения главы, что даже теоретически невозможно, чтобы двигатели были на 100 процентов эффективными. Это явление объясняется вторым законом термодинамики, который основан на концепции, известной как энтропия. Энтропия — это мера беспорядка системы. Энтропия также описывает, сколько энергии , а не доступно для выполнения работы. Чем более неупорядоченная система и выше энтропия, тем меньше энергии доступно системе для выполнения работы.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Значение энтропии трудно понять, поскольку это может показаться абстрактным понятием. Однако мы видим примеры энтропии в нашей повседневной жизни. Например, при проколе автомобильной шины воздух рассеивается во всех направлениях. Когда вода в посуде ставится на стойку, она в конечном итоге испаряется, а отдельные молекулы распространяются в окружающем воздухе. Когда в комнате помещается горячий предмет, он быстро распределяет тепловую энергию во всех направлениях.Энтропию можно рассматривать как меру рассеивания энергии. Он измеряет, сколько энергии было распределено в процессе. Поток любой энергии всегда идет снизу вверх. Следовательно, энтропия всегда имеет тенденцию к увеличению.

Хотя для работы можно использовать все формы энергии, невозможно использовать всю доступную энергию для работы. Следовательно, не вся энергия, передаваемая посредством тепла, может быть преобразована в работу, и некоторая ее часть теряется в виде отработанного тепла, то есть тепла, которое не идет на выполнение работы.Недоступность энергии важна в термодинамике; Фактически, это поле возникло из-за попыток преобразовать тепло в работу, как это делают двигатели.

Уравнение изменения энтропии, ΔSΔS, равно

, где Q — это тепло, которое передает энергию во время процесса, а T — абсолютная температура, при которой происходит процесс.

Q положительно для энергии, переданной в системе посредством тепла, и отрицательно для энергии, переданной из системе посредством тепла.В системе СИ энтропия выражается в джоулях на кельвин (Дж / К). Если температура изменяется во время процесса, то обычно хорошим приближением (для небольших изменений температуры) является T как средняя температура, чтобы избежать более сложных математических расчетов (расчетов).

Советы для успеха

Абсолютная температура — это температура, измеряемая в Кельвинах. Шкала Кельвина — это шкала абсолютной температуры, которая измеряется числом градусов выше абсолютного нуля.Следовательно, все температуры положительные. Использование температуры по другой, неабсолютной шкале, например по Фаренгейту или Цельсию, даст неправильный ответ.

Второй закон термодинамики

Вы когда-нибудь играли в карточную игру «52 пикапа»? Если это так, то вы были объектом розыгрыша и в процессе извлекли ценный урок о природе Вселенной, описанной вторым законом термодинамики. В игре «52 подбора» шутник бросает на пол целую колоду игральных карт, а вы можете их поднять.В процессе подбора карт вы, возможно, заметили, что объем работы, необходимой для восстановления упорядоченного состояния карт в колоде, намного больше, чем объем работы, необходимый для того, чтобы подбросить карты и создать беспорядок.

Второй закон термодинамики гласит, что полная энтропия системы либо увеличивается, либо остается постоянной в любом спонтанном процессе; он никогда не уменьшается. Важным следствием этого закона является то, что тепло передает энергию самопроизвольно от объектов с более высокой температурой к объектам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.Это связано с тем, что энтропия увеличивается при передаче тепла от горячей к холодной (рис. 12.9). Поскольку изменение энтропии составляет Q / T , существует большее изменение ΔSΔS при более низких температурах (меньшее T ). Таким образом, уменьшение энтропии горячего (больший T ) объекта меньше, чем увеличение энтропии холодного (меньшего T ) объекта, что приводит к общему увеличению энтропии для системы.

Рис. 12.9 Лед в этом напитке медленно тает.В конце концов, компоненты жидкости достигнут теплового равновесия, как предсказывает второй закон термодинамики, то есть после того, как тепло передает энергию от более теплой жидкости к более холодному льду. (Джон Салливан, PDPhoto.org)

Другой способ мышления заключается в том, что ни один процесс не может иметь своим единственным результатом теплопередачу энергии от холодильника к более горячему объекту. Тепло не может спонтанно передавать энергию от более холодной к более горячей, потому что энтропия всей системы уменьшится.

Предположим, мы смешиваем равные массы воды, изначально находящиеся при двух разных температурах, скажем, 20,0 ° C и 20,0 ° C. и 40,0 ° С — 40,0 ° С. В результате получится вода с промежуточной температурой 30,0 ° C30,0 ° C. В результате были получены три результата: энтропия увеличилась, некоторая энергия стала недоступной для выполнения работы, и система стала менее упорядоченной. Давайте подумаем о каждом из этих результатов.

Во-первых, почему увеличилась энтропия? Смешивание двух водоемов имеет тот же эффект, что и теплопередача энергии от вещества с более высокой температурой к веществу с более низкой температурой.Смешивание уменьшает энтропию более горячей воды, но увеличивает энтропию более холодной воды на большее количество, производя общее увеличение энтропии.

Во-вторых, как только две массы воды смешиваются, больше не остается разницы температур для передачи энергии за счет тепла и, следовательно, для выполнения работы. Энергия все еще находится в воде, но сейчас недоступны для работы .

В-третьих, смесь менее упорядоченная или, используя другой термин, менее структурированная.Вместо того, чтобы иметь две массы при разных температурах и с различным распределением молекулярных скоростей, теперь у нас есть одна масса с широким распределением молекулярных скоростей, среднее из которых дает промежуточную температуру.

Эти три результата — энтропия, недоступность энергии и беспорядок — не только связаны, но и фактически эквивалентны. Теплопередача энергии от горячей к холодной связана с природной тенденцией к тому, что системы становятся неупорядоченными и меньшее количество энергии становится доступным для использования в качестве работы.

Чего не может быть на основании этого закона? Холодный объект, соприкасающийся с горячим, никогда самопроизвольно не передает энергию посредством тепла горячему объекту, становясь холоднее, в то время как горячий объект становится горячее. Горячий неподвижный автомобиль никогда не остывает и не трогается с места.

Другой пример — расширение струи газа, введенной в один угол вакуумной камеры. Газ расширяется и заполняет камеру, но никогда не собирается сам по себе в углу. Случайное движение молекул газа могло бы вернуть их всех в угол, но этого никогда не происходит (рис.12.10).

Рисунок 12.10 Примеры односторонних процессов в природе. (а) Передача тепла происходит самопроизвольно от горячего к холодному, но не от холодного к горячему. (б) Тормоза этого автомобиля преобразуют кинетическую энергию для увеличения внутренней энергии (температуры), а тепло передает эту энергию в окружающую среду. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа в эту вакуумную камеру быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить каждую часть камеры. Беспорядочные движения молекул газа не позволят им вообще вернуться в угол.

Мы объяснили, что тепло никогда не передает энергию спонтанно от более холодного объекта к более горячему. Ключевое слово здесь — спонтанно . Если мы действительно работаем с в системе, то будет возможным передавать энергию посредством тепла от более холодного объекта к более горячему. Мы узнаем об этом больше в следующем разделе, в котором холодильники рассматриваются как одно из приложений законов термодинамики.

Иногда люди неправильно понимают второй закон термодинамики, думая, что, исходя из этого закона, энтропия не может уменьшаться в каком-либо конкретном месте.Но на самом деле — это , когда энтропия одной части Вселенной может уменьшиться, пока общее изменение энтропии Вселенной увеличивается. В форме уравнения мы можем записать это как

ΔStot = ΔSsyst + ΔSenvir> 0. ΔStot = ΔSsyst + ΔSenvir> 0.

На основе этого уравнения мы видим, что ΔSsystΔSsyst может быть отрицательным, пока ΔSenvirΔSenvir является положительным и большим по величине.

Как может энтропия системы уменьшаться? Передача энергии необходима.Если вы возьмете разбросанные по комнате шарики и поместите их в чашку, ваша работа уменьшит энтропию этой системы. Если вы собираете железную руду с земли, превращаете ее в сталь и строите мост, ваша работа уменьшит энтропию этой системы. Энергия, приходящая от Солнца, может уменьшать энтропию локальных систем на Земле, то есть ΔSsystΔSsyst отрицательно. Но общая энтропия остальной части Вселенной увеличивается на большую величину, то есть ΔSenvirΔSenvir положительна и больше по величине.В случае с железной рудой, хотя вы сделали систему моста и стали более структурированной, вы сделали это за счет Вселенной. В целом энтропия Вселенной увеличивается из-за беспорядка, создаваемого выкапыванием руды и превращением ее в сталь. Следовательно,

ΔStot = ΔSsyst + ΔSenvir> 0, ΔStot = ΔSsyst + ΔSenvir> 0,

12,14

и второй закон термодинамики не нарушается.

Каждый раз, когда растение накапливает часть солнечной энергии в виде потенциальной химической энергии, или когда восходящий поток теплого воздуха поднимает парящую птицу, Земля испытывает локальное уменьшение энтропии, поскольку она использует часть энергии, передаваемой от Солнца в глубокий космос, для этого. Работа.Существует большое общее увеличение энтропии в результате такой массивной передачи энергии. Небольшая часть этой передачи энергии за счет тепла сохраняется в структурированных системах на Земле, что приводит к гораздо меньшему локальному уменьшению энтропии.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL] Спросите учащихся, что бы произошло, если бы второй закон термодинамики не выполнялся. Что, если бы направление потока энергии было непредсказуемым? Сможет ли жизнь на Земле функционировать?

Решение задач, связанных со вторым началом термодинамики

Энтропия связана не только с недоступностью энергии для выполнения работы; это также показатель беспорядка.Например, в случае тающего блока льда высокоструктурированная и упорядоченная система молекул воды превращается в неупорядоченную жидкость, в которой молекулы не имеют фиксированных положений (рис. 12.11). Энтропия этого процесса сильно увеличилась, как мы увидим в следующем рабочем примере.

Рис. 12.11 Эти льдины тают во время арктического лета. Некоторые из них повторно замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что крайне маловероятно, что молекулы воды, содержащиеся в этих льдинах, превратятся в характерную форму аллигатора, которой они обладали, когда этот снимок был сделан летом этого года. 2009 г.(Патрик Келли, Береговая охрана США, Геологическая служба США)

Рабочий пример

Энтропия, связанная с расстройством

Найдите увеличение энтропии 1,00 кг льда при исходной температуре 0 ° C0 ° C. и плавится с образованием воды при 0 ° C0 ° C.

Стратегия

Изменение энтропии может быть вычислено из определения ΔSΔS, как только мы найдем энергию Q , необходимую для таяния льда.

Решение

Изменение энтропии определяется как

Здесь Q — тепло, необходимое для плавления 1.00 кг льда и выдается

, где м, — масса, а LfLf — скрытая теплота плавления. Lf = 334 кДж / кг Lf = 334 кДж / кг для воды, поэтому

Q = (1,00 кг) (334 кДж / кг) = 3,34 × 105 Дж. Q = (1,00 кг) (334 кДж / кг) = 3,34 × 105 Дж.

12,17

Поскольку Q — это количество энергии, которое тепло добавляет ко льду, его значение положительное, а T — это температура таяния льда, T = 273 KT = 273 K Таким образом, изменение энтропии составляет

ΔS = QT = 3,34 × 105J273 K = 1,22 × 103Дж / К. ΔS = QT = 3.34 × 105J273 K = 1,22 × 103 Дж / К.

12,18

Обсуждение

Рис. 12.12 Когда лед тает, он становится более беспорядочным и менее структурированным. В систематическое расположение молекул в кристаллической структуре заменяется более случайное и менее упорядоченное движение молекул без фиксированных положений или ориентации. Его энтропия увеличивается, потому что в него происходит передача тепла. Энтропия — это мера беспорядок.

Изменение энтропии положительное, потому что тепло передает энергию льду , вызывая фазовый переход.{8} \, \ text {J / K}

Проверьте свое понимание

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте эти вопросы, чтобы оценить достижения учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся борются с какой-то конкретной целью, эти вопросы помогут определить, какие учащиеся, и направить их к соответствующему содержанию.

13.

Что такое энтропия?

  1. Энтропия — это мера потенциальной энергии системы.
  2. Энтропия — это мера сетевой работы, проделанной системой.
  3. Энтропия — это мера беспорядка в системе.
  4. Энтропия — это мера теплопередачи энергии в системе.
14.

Какие формы энергии можно использовать для работы?

  1. Работать может только работа.
  2. Только тепло может делать работу.
  3. Только внутренняя энергия может делать работу.
  4. Тепло, работа и внутренняя энергия — все могут выполнять работу.
15.

Каково утверждение второго закона термодинамики?

  1. Все спонтанные процессы приводят к снижению общей энтропии системы.
  2. Все спонтанные процессы приводят к увеличению общей энтропии системы.
  3. Все спонтанные процессы приводят к пониженной или постоянной общей энтропии системы.
  4. Все спонтанные процессы приводят к увеличению или постоянству общей энтропии системы.
16.

Что обычно происходит с энтропией всей системы при передаче энергии от высокой к низкой температуре?

  1. Уменьшается.
  2. Он должен оставаться постоянным.
  3. Энтропию системы невозможно предсказать без конкретных значений температур.
  4. Увеличивается.

Второй закон термодинамики | New Scientist

Второй закон термодинамики означает, что горячие предметы всегда остывают, если вы не сделаете что-то, чтобы их остановить. Он выражает фундаментальную и простую истину о Вселенной: этот беспорядок, характеризуемый величиной, известной как энтропия, всегда увеличивается.

Британский астрофизик Артур Эддингтон сделал строгое предупреждение потенциальным физикам-теоретикам в 1915 году.«Если окажется, что ваша теория противоречит второму закону термодинамики, я не могу дать вам никакой надежды; ему ничего не остается, как рухнуть в глубочайшем унижении », — писал он.

Второй закон термодинамики, пожалуй, самый глубокий из трех законов термодинамики. Его важность лучше всего выражается в наброске ситуации, которая его нарушает. Представьте, что вы кладете на поднос 20 монет головами вверх, снимаете их, пока вы встряхиваете, а затем воспроизводите фильм задом наперед. Монеты начинаются как беспорядок, но все прыгают и в конечном итоге останавливаются одной стороной вверх — нереальная, немного жуткая последовательность.Точно так же представьте себе яичный желток и белок, которые собираются заново после того, как вы его взломали, или даже мир, в котором так же легко соединить носки в правильные пары, как и перемешать их.

Корни термодинамики лежат в попытках понять паровые машины, которые привели в действие промышленную революцию в Европе 18 и 19 веков. Французский инженер Сади Карно обнаружил, что их тепло всегда имеет тенденцию рассеиваться, переходя в более прохладные регионы. Все, что идет вразрез с этой структурой, требует дополнительной энергии для ее работы.Это тоже связано с тем, что толкающие молекулы чего-то горячего более беспорядочно, чем молекулы чего-то холодного.

Увеличение энтропии настолько универсально, что многие физики предполагают, что именно поэтому мы видим течение времени. Несомненно, поэтому наши сердца должны постоянно перекачивать кровь, снабжая наши клетки энергией в качестве временной защиты от неизбежного начала распада и беспорядка.

Выход есть? Возможно. Законы термодинамики справедливы только как средние статистические данные, и некоторые думают, что второй закон не будет таким уж чугунным в очень малых масштабах квантовой физики, где задействовано мало частиц.Некоторые физики даже думают, что квантовые машины могут нарушить правила или заставить их принять новую форму.

Это может не иметь большого практического применения в больших масштабах, но один из примеров, когда квантовая термодинамика вступает в игру, находится на горизонте событий черной дыры — так что это может помочь решить непреходящую загадку о том, как объединить общую теорию относительности с квантовой теорией.

Второй закон в его классической форме также определяет окончательную судьбу Вселенной. По мере увеличения энтропии в конечном итоге больше не будет порядка, из которого можно было бы создавать хаос, и в конечном итоге перестанут происходить интересные вещи — долгая, медленная «тепловая смерть».

Или, может быть, нет. Другие сценарии предсказывают более драматичный конец. А основоположник классической статистической термодинамики в 1896 году придумал причудливую теорию. Людвиг Больцманн утверждал, что при наличии достаточного количества времени в достаточно большой вселенной флуктуации могут случайным образом создать субвселенную, похожую на нашу. Более правдоподобно, что это могло бы создать мозг, который думает, что существует именно в такой вселенной — и который думает, что энтропия всегда на подъеме. В таком случае вся чугунная уверенность термодинамики могла быть просто иллюзией. Ричард Уэбб

Второй закон термодинамики — обзор

2.2.1 Температурное равенство

Второй закон термодинамики подразумевает, что равновесие соответствует максимальной полной энтропии, и что система, приготовленная в неравновесном макросостоянии, будет двигаться в направление увеличения энтропии. Статистическая интерпретация, как проиллюстрировано в первой главе, состоит в том, что макросостояние равновесия является наиболее вероятным макросостоянием (то есть тем, которое имеет наибольший вес), и, следовательно, это состояние максимальной энтропии.Система движется к равновесию, потому что в этом направлении имеется больший вес состояний, чем в противоположном. Здесь эти факты используются для вывода того, что по сути является нулевым законом термодинамики, а именно, что две системы в тепловом равновесии имеют одинаковую температуру.

В дальнейшем будет важно различать зависимые и независимые переменные. Когда энергия указывается независимо, она обозначается просто E , а когда она является зависимой переменной, она обозначается E ( N, V, T ) или Ē ( N, V, T ) или просто Ē. Первая величина является четко определенным свойством изолированной системы, а E ( N, V, T ) неявно задается как

(2.5) ∂S (E, N, V) ∂E = 1T.

Ниже будет показано, что термодинамическое состояние уникально, и, следовательно, существует взаимно однозначное соотношение между термодинамическими переменными. В частности, это означает, что можно написать E 1 = E ( N, V, T 1 ) ⇔ T 1 = T ( E 1 , N, V ).Верхняя черта используется для обозначения состояния равновесия; Ē ( N, V, T ) — энергия равновесия подсистемы с N частицами в объеме V в контакте с тепловым резервуаром с температурой T.

Рассмотрим изолированную систему, содержащую подсистема 1 в тепловом контакте с тепловым резервуаром 2 (рис. 2.1). Коллектор в целом определяется двумя характеристиками: он бесконечно больше, чем интересующая подсистема, и область взаимного контакта бесконечно меньше, чем подсистема.Первое свойство в этом случае означает, что количество энергии, которым можно обмениваться с подсистемой, ничтожно мало по сравнению с полной энергией резервуара. Второе свойство гарантирует, что взаимодействия между подсистемой и резервуаром, хотя и необходимы для установления теплового равновесия, относительно незначительны. То есть полная энтропия системы равна сумме энтропий подсистемы и резервуара. S всего = S 1 + S 2 , и поправкой из-за взаимодействия между подсистемой и резервуаром можно пренебречь.

Рисунок 2.1. Подсистема 1 в тепловом контакте с тепловым резервуаром 2.

Энергетические перегородки между подсистемой и резервуаром при сохранении полной энергии системы, E всего = E 1 + E 2 . Используя свойства резервуара, общая энтропия для данного разбиения составляет

(2.6) Stotal (E1 | E, N1, V1, N2, V2) = S1 (E1, V1, N1) + S2 (Etotal − E1, V2, N2) = S1 (E1, V1, N1) + S2 (Etotal, V2, N2) −E1∂S2 (Etotal, V2N2) ∂Etotal +… = S1 (E1, V1, N1) + const.−E1T2.

Второе равенство представляет собой расширение коллектора по Тейлору примерно E 2 = E всего . Допустимо усечь это до линейного члена, потому что E 1 ≪ E всего . То есть первый игнорируемый член выглядит как E12SEE∼E12 / Etotal, поскольку и энергия, и энтропия являются обширными переменными. Более высокие члены имеют более высокие степени E 1 / E итого , и они также исчезают в пределе резервуара.В третьем равенстве использовано определение температуры резервуара, а именно производная энтропии по энергии. Главный член — это нематериальная константа, которой мы будем пренебрегать, поскольку она не зависит от E 1 . Отныне температура резервуара будет обозначаться как T , а переменные резервуара V 2 и N 2 , от которых она зависит, будут подавлены, как и соответственно избыточный индекс 1 для подсистемы.Следовательно, в левой части будет написано S итого ( E | N, V, T ). Энтропии в правой части — это энтропии резервуара и подсистемы, каждая из которых рассматривается отдельно и как функция независимых переменных, которые являются их аргументами. Напротив, энтропия в левой части — это энтропия всей системы для определенного распределения энергии; ее часто называют полной энтропией с ограничениями.В таких случаях величина потока отображается слева от вертикальной полосы, а фиксированные переменные — справа. Это обозначение идентично обозначению, используемому для распределений вероятностей, которые будут выведены в ближайшее время. Все аргументы ограниченной полной энтропии независимы.

Производная по энергии ограниченной полной энтропии дает

(2.7) ∂Stotal (E | N, V, T) ∂E = ∂S (E, V, N) ∂E − 1T,

, где первый член справа — обратная температура подсистемы, 1/ T ( E, N, V ​​).Равновесная энергия Ē — это та энергия, которая максимизирует полную энтропию. Это соответствует обращению в нуль его производной, или

(2.8) T (E¯, N, V) = T.

Можно сделать вывод, что равновесие соответствует равенству температур между подсистемой и резервуаром, что по сути является нулевым законом термодинамики. Это неявное уравнение для равновесной энергии подсистемы, Ē = E ( N, V, T ).

Второй закон термодинамики — обзор

1.7 Второй закон термодинамики — энтропия

Второй закон термодинамики , строго разработанный во многих современных учебниках по термодинамике, например, Ченгель и Болес (1994), Рейнольдс и Перкинс (1977) и Роджерс и Мэйхью (1992), позволяет ввести понятие энтропии и определить идеальные термодинамические процессы.

Важное и полезное следствие второго закона термодинамики, известное как неравенство Клаузиуса , гласит, что для системы, проходящей цикл, включающий теплообмен,

(1.22а) ∮ dQT≤0,

, где d Q — элемент тепла, передаваемый системе при абсолютной температуре T . Если все процессы в цикле обратимы, то d Q = d Q R , и равенство в ур. (1.22a) выполняется, т.е.

(1.22b) ∮ dQRT = 0.

Свойство, называемое энтропией , для конечного изменения состояния затем определяется как

(1.23a) S2 − S1 = ∫12dQRT.

Для постепенного изменения состояния

(1.23b) dS = mds = dQRT,

, где м — масса системы.

При устойчивом одномерном потоке через контрольный объем, в котором жидкость претерпевает изменение состояния с условия 1 на входе на 2 на выходе,

(1.24a) ∫12dQ.T≤m. (S2-s1).

В качестве альтернативы это можно записать в терминах производства энтропии из-за необратимости, Δ S рерв :

(1,24b) m. (S2 − s1) = ∫12dQ.T + ΔSirrev.

Если процесс адиабатический, dQ.= 0, тогда

(1,25) s2≥s1.

Если процесс также является обратимым , то

(1,26) s2 = s1.

Таким образом, для потока, претерпевающего адиабатический и обратимый процесс, энтропия останется неизменной (этот тип процесса называется изоэнтропическим ). Поскольку турбомашинное оборудование обычно является адиабатическим или близким к адиабатическому, изоэнтропическое сжатие или расширение представляет собой наилучший возможный процесс, который может быть достигнут. Чтобы максимизировать эффективность турбомашины, необратимое производство энтропии Δ S ирв должно быть минимизировано, и это основная цель любой конструкции.

Несколько важных выражений можно получить, используя предыдущее определение энтропии . Для системы массой м , претерпевающей обратимый процесс, d Q = d Q R = mT d s и d W = d W R = mp d v . В отсутствие движения, гравитации и других эффектов первый закон термодинамики, ур. (1.10b) становится

(1.27) Tds = du + pdv.

С h = u + pv , затем d h = d u + p d v + v d p и eqn.Тогда (1.27) дает

(1.28) Tds = dh − vdp.

Уравнения (1.27) и (1.28) являются чрезвычайно полезными формами второго закона термодинамики, потому что уравнения записываются только в терминах свойств системы (нет членов, включающих Q или W ). Следовательно, эти уравнения могут быть применены к системе, в которой происходит любой процесс.

Энтропия — это особенно полезное свойство для анализа турбомашин. Любое создание энтропии на пути потока машины можно приравнять к определенному количеству «потерянной работы» и, следовательно, к потере эффективности.Значение энтропии одинаково как в абсолютной, так и в относительной системе отсчета (см. Рисунок 1.7 ниже), и это означает, что его можно использовать для отслеживания источников неэффективности во всех вращающихся и неподвижных частях машины.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.