Plik Druga zasada termodynamiki ma różne formy wyrazu. Jeden z nich stwierdza, że żaden silnik cieplny nie jest w stanie całkowicie przekształcić całej pochłoniętej energii w pracę użytkową (sformułowanie Kelvina-Plancka). Innym sposobem wyrażenia tego jest stwierdzenie, że rzeczywiste procesy zachodzą w takim sensie, że jakość energii jest niższa, ponieważ entropia ma tendencję do wzrostu.
Prawo to, znane również jako druga zasada termodynamiki, było wyrażane na różne sposoby na przestrzeni czasu, od początku XIX wieku do chwili obecnej, chociaż jego początki sięgają powstania pierwszych maszyn parowych w Anglii. XVIII wieku.
Ale chociaż wyraża się to na wiele sposobów, idea, że materia ma tendencję do nieuporządkowania i że żaden proces nie jest w 100% skuteczny, ponieważ straty zawsze będą istnieć..
Wszystkie układy termodynamiczne przestrzegają tej zasady, począwszy od samego wszechświata po poranną filiżankę kawy, która spokojnie czeka na stole wymieniając ciepło z otoczeniem..
Kawa stygnie w miarę upływu czasu, aż znajdzie się w równowadze termicznej z otoczeniem, więc byłoby bardzo zaskakujące, gdyby pewnego dnia stało się coś odwrotnego i otoczenie ochłodziło się, podczas gdy kawa się nagrzewała. To mało prawdopodobne, niektórzy powiedzą, że niemożliwe, ale wyobraź sobie to, aby zorientować się, w jakim sensie rzeczy dzieją się spontanicznie.
W innym przykładzie, jeśli przesuniemy książkę po powierzchni stołu, w końcu się ona zatrzyma, ponieważ jej energia kinetyczna zostanie utracona w postaci ciepła w wyniku tarcia..
Pierwsze i drugie prawo termodynamiki zostały ustalone około 1850 roku dzięki naukowcom takim jak Lord Kelvin - twórca terminu „termodynamika” -, William Rankine - autor pierwszego formalnego tekstu o termodynamice - oraz Rudolph Clausius..
Indeks artykułów
Entropia - wspomniana na początku - pomaga nam ustalić, w jakim sensie rzeczy się dzieją. Wróćmy do przykładu ciał w kontakcie termicznym.
Kiedy dwa obiekty o różnych temperaturach stykają się i ostatecznie po pewnym czasie osiągają równowagę termiczną, kieruje je fakt, że entropia osiąga swoje maksimum, gdy temperatura obu jest taka sama.
Oznaczając entropię jako S, zmiana entropii ΔS systemu jest:
Zmiana entropii ΔS wskazuje na stopień nieporządku w systemie, ale istnieje ograniczenie w stosowaniu tego równania: ma ono zastosowanie tylko do procesów odwracalnych, czyli takich, w których układ może powrócić do pierwotnego stanu bez pozostawiania śladu tego, co się wydarzyło-.
W procesach nieodwracalnych druga zasada termodynamiki wygląda następująco:
Filiżanka kawy zawsze stygnie i jest dobrym przykładem nieodwracalnego procesu, ponieważ zawsze przebiega tylko w jednym kierunku. Jeśli dodasz śmietanę do kawy i wstrząśniesz, uzyskasz bardzo przyjemną kombinację, ale bez względu na to, ile ponownie wstrząśniesz, nie będziesz miał osobno kawy i śmietanki, ponieważ mieszanie jest nieodwracalne..
Chociaż większość codziennych procesów jest nieodwracalna, niektóre są prawie odwracalny. Odwracalność to idealizacja. Aby tak się stało, system musi zmieniać się bardzo powoli, w taki sposób, aby w każdym punkcie był zawsze w równowadze. W ten sposób można przywrócić go do poprzedniego stanu bez pozostawiania śladu w otoczeniu..
Procesy zbliżone do tego ideału są bardziej wydajne, ponieważ zapewniają większą ilość pracy przy mniejszym zużyciu energii..
Siła tarcia jest odpowiedzialna za większość nieodwracalności, ponieważ wytwarzane przez nią ciepło nie jest rodzajem poszukiwanej energii. W książce przesuwającej się po stole ciepło tarcia to energia, która nie jest odzyskiwana.
Chociaż książka wraca na swoje pierwotne miejsce, stół będzie gorący jak ślad wchodzenia i wychodzenia z niego.
Spójrzmy teraz na żarówkę: większość pracy wykonywanej przez prąd przepływający przez żarnik jest tracona na ciepło przez efekt Joule'a. Tylko niewielki procent jest używany do emitowania światła. W obu procesach (książka i żarówka) wzrosła entropia układu.
Idealny silnik to taki, który jest zbudowany przy użyciu procesów odwracalnych i nie ma tarcia, które powoduje straty energii, konwertując ją prawie cała energia cieplna w pracy użytkowej.
Podkreślamy to słowo prawie, bo nawet idealny silnik, jakim jest Carnot, nie jest w 100% sprawny. Druga zasada termodynamiki zapewnia, że tak nie jest.
Silnik Carnota jest najbardziej wydajnym silnikiem, jaki można wymyślić. Działa pomiędzy dwoma zbiornikami temperatury w dwóch procesach izotermicznych - przy stałej temperaturze - i dwóch procesach adiabatycznych - bez przenoszenia energii cieplnej-.
Wykresy zwane wykresami PV - ciśnienie-objętość - wyjaśniają sytuację na pierwszy rzut oka:
Po lewej stronie na rysunku 3 znajduje się schemat silnika Carnota C, który pobiera ciepło Q1 zbiornika o temperaturze T1, przekształca to ciepło w pracę W i oddaje odpady Qdwa do najzimniejszego zbiornika, który ma temperaturę Tdwa.
Począwszy od punktu A, system rozszerza się, aż osiągnie punkt B, pochłaniając ciepło w ustalonej temperaturze T.1. W B układ rozpoczyna ekspansję adiabatyczną, w której nie dochodzi do gromadzenia ani utraty ciepła, aby osiągnąć C..
W C rozpoczyna się inny proces izotermiczny: przenoszenie ciepła do innego, zimniejszego złoża termicznego, czyli w T.dwa. Gdy to się dzieje, układ zostaje ściśnięty i osiąga punkt D. Rozpoczyna się drugi proces adiabatyczny, aby powrócić do punktu początkowego A. W ten sposób cykl zostaje zakończony..
Sprawność silnika Carnota zależy od temperatur w stopniach Kelvina dwóch zbiorników termicznych:
Maksymalna wydajność = (Qwejście - QWyjście) / Qwejście = 1 - (T.dwa/ T1)
Twierdzenie Carnota mówi, że jest to najbardziej wydajny silnik cieplny na rynku, ale nie kupuj go zbyt szybko. Pamiętasz, co powiedzieliśmy o odwracalności procesu? Muszą następować bardzo, bardzo wolno, więc moc wyjściowa tej maszyny jest praktycznie zerowa..
Istoty ludzkie potrzebują energii do utrzymania wszystkich swoich systemów w pracy, dlatego zachowują się jak maszyny termiczne, które odbierają energię i przekształcają ją w energię mechaniczną, np..
Wydajność i ludzkiego ciała podczas wykonywania pracy można zdefiniować jako iloraz mocy mechanicznej, którą może dostarczyć, do całkowitego wkładu energii, który pochodzi z pożywienia.
Ponieważ średnia moc Pm to praca W wykonana w przedziale czasu Δt, można wyrazić jako:
P.m = W / Δt
tak ΔU / Δt to tempo, w jakim dodawana jest energia, wydolność organizmu jest następująca:
Dzięki licznym testom z ochotnikami uzyskano wydajność do 17%, dostarczając około 100 watów mocy przez kilka godzin.
Oczywiście będzie to w dużej mierze zależeć od wykonywanego zadania. Pedałowanie na rowerze jest nieco bardziej wydajne, około 19%, podczas gdy powtarzalne czynności, które obejmują łopaty, kilofy i motyki, to zaledwie około 3%..
Druga zasada termodynamiki jest implicite we wszystkich procesach zachodzących we Wszechświecie. Entropia zawsze rośnie, chociaż w niektórych systemach wydaje się zmniejszać. Aby tak się stało, musiało wzrosnąć gdzie indziej, tak że w ogólnym bilansie jest dodatni.
- W uczeniu się jest entropia. Są ludzie, którzy dobrze i szybko się uczą, a poza tym potrafią je później łatwo zapamiętać. Mówi się, że są to ludzie z niską entropią uczenia się, ale z pewnością jest ich mniej niż tych z wysoką entropią: ci, którym trudniej jest zapamiętać rzeczy, których się uczą.
- Firma, w której pracownicy są zdezorganizowani, ma większą entropię niż ta, w której pracownicy wykonują zadania w sposób uporządkowany. Oczywiste jest, że ta druga będzie bardziej wydajna niż pierwsza.
- Siły tarcia generują mniejszą wydajność pracy maszyn, ponieważ zwiększają ilość rozpraszanej energii, której nie można efektywnie wykorzystać.
- Rzut kostką ma wyższą entropię niż rzut monetą. W końcu rzucenie monetą ma tylko 2 możliwe wyniki, podczas gdy rzut kostką ma 6. Im więcej zdarzeń jest prawdopodobnych, tym większa jest entropia..
Cylinder tłokowy jest wypełniony mieszaniną cieczy i pary wodnej o temperaturze 300 K, a ciepło 750 kJ przekazywane jest do wody w procesie pod stałym ciśnieniem. W rezultacie ciecz wewnątrz cylindra odparowuje. Oblicz zmianę entropii w procesie.
Proces opisany w oświadczeniu prowadzony jest pod stałym ciśnieniem w układzie zamkniętym, który nie podlega wymianie masy.
Ponieważ jest to waporyzacja, podczas której temperatura również się nie zmienia (podczas przemian fazowych temperatura jest stała), można zastosować definicję zmiany entropii podaną powyżej i temperatura może wyjść poza całkę:
ΔS = 750 000 J / 300 K = 2500 J / K.
Ponieważ ciepło dostaje się do systemu, zmiana entropii jest dodatnia.
Gaz podlega wzrostowi ciśnienia od 2,00 do 6,00 atmosfer (atm), utrzymując stałą objętość 1,00 m3, a następnie rozszerzać się przy stałym ciśnieniu do objętości 3,00 m3. Wreszcie wraca do stanu początkowego. Oblicz, ile pracy wykonasz w 1 cyklu.
Jest to proces cykliczny, w którym wahania energii wewnętrznej wynoszą zero, zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki, a więc Q = W.Na wykresie PV (ciśnienie - objętość) praca wykonana podczas cyklicznego procesu jest równa krzywa. Aby podać wyniki w systemie międzynarodowym, konieczne jest dokonanie jednostkowej zmiany ciśnienia przy użyciu następującego współczynnika przeliczeniowego:
1 atm = 101,325 kPa = 101,325 Pa.
Obszar objęty wykresem odpowiada obszarowi trójkąta, którego podstawa (3 - 1 m3) = 2 m3 i którego wysokość wynosi (6 - 2 atm) = 4 atm = 405300 Pa
WABCA = ½ (2 m3 x 405300 Pa) = 405300 J = 405,3 kJ.
Mówi się, że jedna z najbardziej wydajnych maszyn, jakie kiedykolwiek zbudowano, to opalana węglem turbina parowa na rzece Ohio, która służy do zasilania generatora elektrycznego pracującego w temperaturze od 1870 do 430 ° C..
Obliczyć: a) maksymalną teoretyczną wydajność, b) moc mechaniczną dostarczaną przez maszynę, jeśli pochłania ona 1,40 x 105 J energii co sekundę z podgrzewacza. Rzeczywista sprawność wynosi 42,0%.
a) Maksymalną sprawność oblicza się z równania podanego powyżej:
Maksymalna wydajność = (Qwejście - Q Wyjście) / Qwejście = 1 - (T.dwa/ T1)
Aby zmienić stopnie Celsjusza na kelwiny, wystarczy dodać 273,15 do temperatury Celsjusza:
Mnożenie przez 100% daje maksymalną procentową wydajność, która wynosi 67,2%
c) Jeśli rzeczywista sprawność wynosi 42%, maksymalna sprawność wynosi 0,42.
Dostarczana moc mechaniczna wynosi: P = 0,42 x 1,40 x10 5 J / s = 58800 W..
Jeszcze bez komentarzy