A termikus folyamatok visszafordíthatatlansága
E törvény szerint az energiát nem lehet létrehozni vagy megsemmisíteni; átkerül az egyik rendszerről a másikra, és átformálódik egyik formáról a másikra. A termodinamika első törvényét sértő folyamatokat soha nem észlelték. Az 1. ábrán. 3.12.1 olyan eszközöket ábrázol, amelyeket a termodinamika első törvénye tilt.
3.12.1. Ábra. Ciklikusan működő termikus gépek, amelyeket a termodinamika első törvénye tilt: 1 - az első fajta örök mozgás, kívülről energiafelhasználás nélkül végzett munka; 2 - hőtechnikai hatékonysági tényező # 951;> 1.
A termodinamika első törvénye nem határozza meg a termikus folyamatok irányát. Azonban a tapasztalat azt mutatja, hogy sok termikus folyamat csak egy irányban fordulhat elő. Az ilyen folyamatokat visszafordíthatatlannak nevezik. Például két különböző hőmérsékletű test hőérintkezése révén a hőáramlás mindig egy melegebb testről egy hidegebbre irányul. Soha nem történik spontán hőátadás a test alacsony hőmérsékletű testről a magasabb hőmérsékletű testre. Következésképpen a hőátadási folyamat véges hőmérséklet-különbségben visszafordíthatatlan.
A reverzibilis folyamatok egy olyan rendszer átalakulási folyamatai, amelyek egy egyensúlyi állapotból egy másikba fordulnak el, és amelyek az ellentétes irányban ugyanazon közbenső egyensúlyi állapotok sorozatán keresztül hajthatók végre. Ebben az esetben maga a rendszer és a környező testek visszatérnek eredeti állapotukhoz.
Azok a folyamatok, amelyekben a rendszer állandóan egyensúlyi állapotban marad, mindig kvázistatikusnak nevezik. Minden kvázistatikus folyamat reverzibilis. Minden reverzibilis folyamat kvázistatikus.
Ha a munkaközeg a hőerőgép érintkezésbe hozzuk egy hőtároló, a hőmérséklet a hőcserélő folyamat változatlan marad, ez csak reverzibilis izoterm kvázisztatikus folyamat előforduló infinitezimális hőmérséklet-különbség és a munkaközeg tartályt. Ha van két hő tározók különböző hőmérsékleteken végezhetjük reverzibilis folyamatok két szigetelő részletben. Mivel adiabatikus folyamat is elvégezhető mindkét irányban (az adiabatikus kompresszió és az adiabatikus expanzió), a ciklikus folyamat, amely két izotermák és két adiabatikus (Carnot-ciklus) az egyetlen reverzibilis ciklikus folyamat, amelyben a munkafolyadék termikus kapcsolatban csak két hő tározók. Minden más, két hőtárolóval végzett körfolyamat visszafordíthatatlan.
Irreverzibilis olyan folyamatok a konvertáló mechanikai munka be belső energiája a test, mert a súrlódás, a diffúziós folyamatok gázok és folyadékok, a keverési folyamat gáz jelenlétében a kezdeti nyomás különbség, és így tovább. D. Minden valós folyamatok visszafordíthatatlan, de önkényesen szorosan megközelíti reverzibilis folyamatokat. A reverzibilis folyamatok valós folyamatok idealizálása.
A termodinamika első törvénye nem képes megkülönböztetni a reverzibilis és visszafordíthatatlan folyamatokat. Egyszerűen megköveteli a termodinamikai folyamat bizonyos energiamérlegét, és nem mond semmit arról, hogy lehetséges-e ilyen folyamat. A spontán folyamatok iránya meghatározza a termodinamika második törvényét. Meghatározható bizonyos típusú termodinamikai folyamatok tilalma formájában.
W. Kelvin angol fizikus 1851-ben a következő törvényt fogalmazta meg:
Egy ciklikusan működő termikus gépben egy folyamat lehetetlen, amelynek egyetlen eredménye az egyetlen hőtárolóból származó teljes hőmennyiség átalakítása mechanikai munkává.
Egy hipotetikus hőmotor, amelyben ilyen folyamat előfordulhat, az úgynevezett "örök mozgatógép a második fajta". A szárazföldi körülmények között egy ilyen gép hőenergiát választhatna meg, például a Világ-óceántól, és teljesen bekapcsolhatja azt. A víz tömege az óceánok körülbelül 10 21 kg, és hűtés közben egy fokkal, hogy kiemelje a hatalmas mennyiségű energiát (≈ 24 okt J) egyenértékű teljes égésű 10 17 kg szenet. Évente a Földön termelt energia körülbelül 10-szer 4-szer kevesebb. Ezért „egy örökmozgó, a második fajta” az lenne, hogy az emberiség nem kevésbé vonzó, mint a „örökmozgó az első fajta”, betiltották az első főtétele.
R. Clausius német fizikus adta a termodinamika második törvényének egy másik formuláját:
Egy folyamat elkerülhetetlen, melynek egyetlen eredménye az energiatranszfer hőcserén keresztül, egy alacsony hőmérsékletű testről egy magasabb hőmérsékletű testre.
Az 1. ábrán. 3.12.2. Bemutatja a második törvény által tiltott eljárásokat, de a termodinamika első törvénye nem tiltja. Ezek a folyamatok megfelelnek a termodinamika második törvényének két összetételének.
3.12.2. Ábra. Olyan folyamatok, amelyek nem ellentétesek a termodinamika első törvényével, de a második törvény tiltja: 1 - "a második faj örökmozgása"; 2 - a hideg testről a meleg melegebbre való spontán átadása ("ideális hűtőgép").
Meg kell jegyezni, hogy a termodinamika második törvényének mindkét összetétele egyenértékű. Ha feltételezzük, hogy például hő spontán (azaz. E., a költsége nélkül külső munka), hogy adja át a hőátadás alatt egy hideg test a meleg, akkor jön a következtetés a lehetőségét egy „örökmozgó a második fajta.” Valóban, hagyja, hogy az igazi hőgép a melegítőből megkapja a Q1 hőmennyiséget, és adja meg a hűtőnek a Q2 hőmennyiséget. Ebben az esetben az A = Q1 - | Q2 | munkát végezzük. Ha a hőmennyiség | Q2 | spontán telt el a hűtő a fűtő, a végeredmény egy igazi hőerőgép és az „ideális hűtés gép” lenne az átalakulás a munka a hőmennyiség Q1 - | Q2 | nyert a fűtés változás nélkül a hűtőszekrényben. Így egy valódi hõmotor és egy "ideális hûtõgép" kombinációja megegyezik a "második típusú örök mozgatógépével". Ugyanígy nem lehet bizonyítani, hogy a kombináció a „valódi folyadékhűtő” és a „örökmozgó A második típusú” egyenértékű „az ideális hűtőberendezés”.
A termodinamika második törvénye közvetlenül kapcsolódik a valódi termikus folyamatok visszafordíthatatlanságához. Az energia a termikus mozgás molekulák minőségileg különbözik az összes többi energiaforma - .. mechanikus, elektromos, kémiai, stb Az energia bármely formájának, mellett az energia a termikus mozgás molekulák, lehet teljesen átalakult bármilyen más energia, beleértve az energiát hő-mozgás. Az utóbbi csak részben képes átalakítani bármely más energiát. Ezért minden fizikai eljárás, amelyben az átalakítás bármilyen típusú energia az energia a termikus molekuláris mozgás visszafordíthatatlan, azaz. E. Nem lehet végezni teljes egészében a fordított irányban.
Az összes visszafordíthatatlan folyamat közös tulajdonsága, hogy termodinamikailag egyenlőtlen rendszeren haladnak keresztül, és ezeknek a folyamatoknak köszönhetően a zárt rendszer közelíti meg a termodinamikai egyensúly állapotát.
A termodinamika második törvényének bármelyik formulája alapján a következő állításokat lehet bizonyítani, amelyeket Carnot tételeinek neveznek:
1. A hatékonyság egy hőerőgép, működő megadott értékeket a hőmérséklet a fűtő és hűtő, nem lehet nagyobb, mint a hatékonyságát a gép, amely működik a reverzibilis Carnot-ciklus ugyanazokat az értékeket a fűtőtest és a hűvösebb hőmérséklet.
2. A Carnot ciklusban működő hőgép hatékonyságának együtthatója nem függ a munkaközeg jellegétől, hanem csak a fűtő és a hűtőgép hőmérsékletétől.
Így a Carnot ciklusban működő gép hatékonysága maximális.
Reverzibilis adiabatikus folyamat esetén # 916; Qi = 0, következésképpen az S entrópiája változatlan marad.
Az entrópia változás kifejezés S egy nem-elszigetelt rendszer egy egyensúlyi állapotból (1) egy másik egyensúlyi állapotba (2) való átmenetében a következő formában írható:
Az entrópia egy állandó kifejezésre van definiálva, mint például egy erő mezőben lévő test potenciális energiája. A fizikai jelentés a különbség # 916; S entrópia a rendszer két állapotában. Ahhoz, hogy meghatározzuk a változás entrópia esetében visszafordíthatatlan átmenet a rendszer egyik állapotból a másikba, meg kell gondolni néhány reverzibilis folyamat összekötő kezdeti és végső állapotok, és segítenek megtalálni a csökkentett hő keletkezik, mint egy átmeneti rendszert.
Ábra. A 3.12.4. Ábra szemlélteti a gázkiemelés visszafordíthatatlan folyamatát "az üregbe" hőcserének hiányában. Ebben a folyamatban csak a gáz kezdeti és végső állapota egyensúlyi, és ábrázolhatók a diagramon (V. p.). Az ezeknek az állapotoknak megfelelő a) és b) pontok egy izotermán helyezkednek el. A változás kiszámításához # 916; S entrópia, akkor tekinthetünk egy invertibilis izotermikus átmenetet az (a) - (b) -ről. Mivel az izotermikus expanzió alatt a gáz a környező testektől egy bizonyos mennyiségű hőmennyiséget kap, Q> 0, megállapítható, hogy a gáz visszafordíthatatlan kiterjedése esetén az entrópia emelkedett: # 916; S> 0.
3.12.4 ábra. A gáz kibővítése "ürességgé". Az entrópia variációja, ahol A = Q a gáz reverzibilis izotermikus kitágulása alatt végzett munkája.
A visszafordíthatatlan folyamat egy másik példája a hőcserék véges hőmérséklet-különbséggel. Az 1. ábrán. A 3.12.5 ábra két, az adiabatikus héjba záródó testet mutat be. A T1 és T2 test kezdeti hőmérséklete
3.12.5 ábra. Hőátadás véges hőmérsékletkülönbség esetén: a - kezdeti állapot; b - a rendszer végső állapota. Az entrópia változása # 916; S> 0.
Az entrópia növekedése az összes spontán előforduló, visszafordíthatatlan folyamat közös tulajdonsága az izolált termodinamikai rendszerekben. Az elszigetelt rendszerek reverzibilis folyamataiban az entrópia nem változik: