The Druhý zákon termodynamiky má různé formy vyjádření. Jeden z nich uvádí, že žádný tepelný motor není schopen úplně přeměnit veškerou energii, kterou absorbuje, na použitelnou práci (Kelvin-Planckova formulace). Dalším způsobem, jak říci, je, že skutečné procesy probíhají v takovém smyslu, že kvalita energie je nižší, protože entropie má tendenci se zvyšovat.
Tento zákon, známý také jako druhý princip termodynamiky, byl v průběhu času, od počátku 19. století do současnosti, vyjádřen různými způsoby, i když jeho počátky se datují od vzniku prvních parních strojů v Anglii., Na začátku roku 18. století.
I když je to vyjádřeno mnoha způsoby, myšlenka, že hmota má tendenci se zhoršovat a že žádný proces není stoprocentně efektivní, protože ztráty budou vždy existovat..
Všechny termodynamické systémy dodržují tento princip, počínaje samotným vesmírem až po ranní šálek kávy, který tiše čeká na stole a vyměňuje si teplo s prostředím..
Káva se postupem času ochlazuje, dokud není v tepelné rovnováze s okolním prostředím, takže by bylo velmi překvapivé, kdyby se jednoho dne stal pravý opak a prostředí se ochladilo, zatímco se káva ohřívala sama. Je nepravděpodobné, že se to stane, někteří řeknou nemožné, ale jen si to představte, abyste získali představu o smyslu, v jakém se věci dějí spontánně.
V dalším příkladu, pokud knihu zasuneme na povrch stolu, nakonec se zastaví, protože její kinetická energie se ztratí jako teplo v důsledku tření..
První a druhý zákon termodynamiky byly stanoveny kolem roku 1850, a to díky vědcům, jako je lord Kelvin - tvůrce termínu „termodynamika“ - William Rankine - autor prvního formálního textu o termodynamice - a Rudolf Rudolfiusius..
Rejstřík článků
Entropie - zmíněná na začátku - nám pomáhá určit smysl, v němž se věci stávají. Vraťme se k příkladu těles v tepelném kontaktu.
Když dva objekty při různých teplotách přijdou do styku a nakonec po chvíli dosáhnou tepelné rovnováhy, jsou k tomu hnány tím, že entropie dosáhne svého maxima, když je teplota obou stejná.
Označujeme entropii jako S, změna entropie ΔS systému je dán vztahem:
Změna entropie ΔS označuje stupeň poruchy v systému, ale použití této rovnice je omezené: je použitelné pouze na reverzibilní procesy, tj. na ty, ve kterých se systém může vrátit do původního stavu, aniž by zanechal stopu toho, co se stalo-.
V nevratných procesech se druhý zákon termodynamiky jeví takto:
Šálek kávy vždy vychladne a je dobrým příkladem nevratného procesu, protože k němu dochází vždy pouze jedním směrem. Pokud do kávy přidáte smetanu a protřepete, získáte velmi příjemnou kombinaci, ale bez ohledu na to, jak moc budete znovu protřepávat, nebudete mít kávu a krém zvlášť, protože míchání je nevratné..
Ačkoli většina denních procesů je nevratných, některé ano téměř reverzibilní. Reverzibilita je idealizace. Aby k tomu mohlo dojít, musí se systém měnit velmi pomalu, a to takovým způsobem, aby byl v každém bodě vždy v rovnováze. Tímto způsobem je možné jej vrátit do předchozího stavu bez zanechání stopy v okolí..
Procesy, které se tomuto ideálu blíží, jsou efektivnější, protože přinášejí větší množství práce a nižší spotřebu energie..
Třecí síla je zodpovědná za velkou část nevratnosti, protože teplo, které vytváří, není typem energie, o kterou se usiluje. V knize, která klouže po stole, je třecí teplo energie, která se neobnovuje.
Ačkoli se kniha vrací do své původní polohy, stůl bude horký jako stopa toho, že na ni přijde a odejde.
Nyní se podívejme na žárovku: většina práce prováděné proudem vláknem je zbytečná v důsledku Jouleova efektu. K vyzařování světla se používá jen malé procento. V obou procesech (kniha a žárovka) se entropie systému zvýšila.
Ideální motor je ten, který je vyroben pomocí reverzibilních procesů a postrádá tření, které způsobuje přeměnu energetické ztráty téměř veškerá tepelná energie v použitelné práci.
Zdůrazňujeme toto slovo téměř, protože ani ideální motor, kterým je Carnot, není stoprocentně efektivní. Druhý zákon termodynamiky zajišťuje, že tomu tak není.
Motor Carnot je nejúčinnější motor, který lze vymyslet. Pracuje mezi dvěma teplotními nádržemi ve dvou izotermických procesech - při konstantní teplotě - a dvěma adiabatickými procesy - bez přenosu tepelné energie-.
Grafy zvané PV -tlakové-objemové diagramy- objasňují situaci na první pohled:
Vlevo na obrázku 3 je schéma Carnotova motoru C, který odebírá teplo Q1 nádrže, která má teplotu T1, přemění toto teplo na práci W a získá odpad Qdva do nejchladnější nádrže, která má teplotu Tdva.
Počínaje bodem A se systém rozpíná, dokud nedosáhne bodu B, přičemž absorbuje teplo při pevné teplotě T1. V B systém začíná adiabatickou expanzi, ve které se nezískává ani neztrácí teplo, aby dosáhl C.
V C začíná další izotermický proces: přenos tepla do druhého chladnějšího tepelného ložiska, které je v Tdva. V tomto případě je systém komprimován a dosáhne bodu D. Začíná druhý adiabatický proces pro návrat do počátečního bodu A. Tímto způsobem je cyklus dokončen.
Účinnost Carnotova motoru závisí na teplotách v kelvinech dvou tepelných nádrží:
Maximální účinnost = (Qvstup - Qvýstup) / Qvstup = 1 - (T.dva/ T1)
Carnotova věta uvádí, že se jedná o nejefektivnější tepelný motor, ale nebuďte příliš rychlý na jeho zakoupení. Pamatujete si, co jsme řekli o reverzibilitě procesu? Musí k nim docházet velmi, velmi pomalu, takže výkon tohoto stroje je prakticky nulový..
Lidské bytosti potřebují energii, aby udrželi všechny své systémy v provozu, proto se chovají jako tepelné stroje, které přijímají energii a přeměňují ji na mechanickou energii, aby se například pohybovaly.
Účinnost a lidského těla při práci lze definovat jako podíl mezi mechanickou silou, kterou může poskytnout, a celkovým energetickým vstupem, který přichází s jídlem.
Jako střední výkon Pm je práce W odvedená v časovém intervalu Δt, lze vyjádřit jako:
Pm = W / Δt
Ano ΔU / Δt je rychlost přidávání energie, efektivita těla je:
Prostřednictvím četných testů s dobrovolníky bylo dosaženo účinnosti až 17%, což přináší přibližně 100 wattů energie po dobu několika hodin.
Samozřejmě to bude do značné míry záviset na úkolu, který se provádí. Šlapání na kole je o něco efektivnější, kolem 19%, zatímco opakující se úkoly, které zahrnují lopaty, trsátka a motyky, jsou jen asi 3%..
Druhý zákon termodynamiky je implicitní ve všech procesech, které se vyskytují ve vesmíru. Entropie se neustále zvyšuje, i když v některých systémech se zdá, že klesá. Aby se to stalo, muselo se to jinde zvýšit, aby to v celkové bilanci bylo pozitivní.
- V učení je entropie. Existují lidé, kteří se věci učí dobře a rychle, kromě toho, že si je později snadno zapamatují. Říká se, že jsou to lidé s nízkou entropií učení, ale určitě jich je méně než těch s vysokou entropií: ti, pro které je obtížnější si pamatovat věci, které studují.
- Společnost s neuspořádanými pracovníky má větší entropii než ta, ve které pracovníci provádějí úkoly spořádaným způsobem. Je jasné, že druhá bude efektivnější než ta druhá.
- Třecí síly generují menší účinnost při provozu strojů, protože zvyšují množství rozptýlené energie, kterou nelze efektivně využít.
- Hod kostkou má vyšší entropii než házení mincí. Přehodit minci má koneckonců jen 2 možné výsledky, zatímco hod kostkou má 6. Čím více událostí je pravděpodobných, tím větší je entropie..
Pístový válec je naplněn směsí kapaliny a vodní páry při 300 K a 750 kJ tepla je přenášeno do vody procesem konstantního tlaku. Výsledkem je, že se kapalina uvnitř válce odpařuje. Vypočítejte změnu entropie v procesu.
Proces popsaný v prohlášení se provádí za konstantního tlaku v uzavřeném systému, který nepodléhá hromadné výměně.
Jelikož se jedná o vaporizaci, během níž se nemění ani teplota (při fázových změnách je teplota konstantní), lze použít výše uvedenou definici změny entropie a teplota může jít mimo integrál:
ΔS = 750 000 J / 300 K = 2 500 J / K.
Vzhledem k tomu, že teplo vstupuje do systému, je změna entropie pozitivní.
Plyn podléhá zvýšení tlaku od 2,00 do 6,00 atmosfér (atm) při udržování konstantního objemu 1,00 m3, a poté expandovat za stálého tlaku až do dosažení objemu 3,00 m3. Nakonec se vrátí do původního stavu. Vypočítejte, kolik práce se udělá za 1 cyklus.
Jedná se o cyklický proces, při kterém je variace vnitřní energie nulová, podle prvního zákona termodynamiky, tedy Q = W. V diagramu PV (tlak - objem) se práce prováděná během cyklického procesu rovná ploše ohraničené křivka. Pro získání výsledků v mezinárodním systému je nutné provést jednotkovou změnu tlaku pomocí následujícího přepočítacího koeficientu:
1 atm = 101,325 kPa = 101,325 Pa.
Plocha ohraničená grafem odpovídá ploše trojúhelníku, jehož základna (3 - 1 m3) = 2 m3 a jehož výška je (6 - 2 atm) = 4 atm = 405 300 Pa
ŽABCA = ½ (2 m3 x 405300 Pa) = 405300 J = 405,3 kJ.
Jedním z nejúčinnějších strojů, jaký byl kdy vyroben, je prý uhelná parní turbína na řece Ohio, která se používá k napájení elektrického generátoru pracujícího mezi 1870 a 430 ° C..
Vypočítejte: a) maximální teoretickou účinnost, b) mechanický výkon dodávaný strojem, pokud absorbuje 1,40 x 105 J energie každou sekundu z horké nádrže. Skutečná účinnost je známá jako 42,0%.
a) Maximální účinnost se vypočítá pomocí výše uvedené rovnice:
Maximální účinnost = (Qvstup - Q výstup) / Qvstup = 1 - (T.dva/ T1)
Chcete-li změnit stupně Celsia na Kelvin, jednoduše přidejte 273,15 k teplotě Celsia:
Vynásobením 100% získáte maximální procentuální účinnost, která je 67,2%
c) Pokud je skutečná účinnost 42%, je maximální účinnost 0,42.
Dodávaný mechanický výkon je: P = 0,42 x 1,40 x10 5 J / s = 58800 W..
Zatím žádné komentáře