Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik wird in einfachen Worten ausgedrückt. Anwendungen und Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik

Wie entsteht Energie, wie wird sie von einer Form in eine andere umgewandelt und was passiert mit Energie in einem geschlossenen System? Die Gesetze der Thermodynamik helfen bei der Beantwortung all dieser Fragen. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird heute ausführlicher besprochen.

Gesetze im Alltag

Gesetze bestimmen den Alltag. Die Verkehrsregeln besagen, dass Sie an Stoppschildern anhalten müssen. Staatsbedienstete sind verpflichtet, einen Teil ihres Gehalts an die Landes- und Bundesregierung abzuführen. Sogar wissenschaftliche sind auf den Alltag anwendbar. Das Gesetz der Schwerkraft sagt zum Beispiel ein ziemlich schlechtes Ergebnis für diejenigen voraus, die versuchen zu fliegen. Eine weitere Reihe wissenschaftlicher Gesetze, die das tägliche Leben beeinflussen, sind die Gesetze der Thermodynamik. Daher können einige Beispiele angeführt werden, um zu sehen, wie sie sich auf den Alltag auswirken.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört, sondern von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Dies wird manchmal auch als Energieerhaltungssatz bezeichnet. Wie hängt das also mit dem Alltag zusammen? Nehmen Sie zum Beispiel den Computer, den Sie gerade verwenden. Es ernährt sich von Energie, aber woher kommt diese Energie? Der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt uns, dass diese Energie nicht aus der Luft kommen kann, sondern von irgendwoher kommt.

Sie können diese Energie verfolgen. Der Computer wird mit Strom betrieben, aber woher kommt dieser Strom? Richtig, aus einem Kraftwerk oder Wasserkraftwerk. Wenn wir das zweite betrachten, wird es mit einem Damm in Verbindung gebracht, der den Fluss zurückhält. Ein Fluss hat eine Verbindung mit kinetischer Energie, was bedeutet, dass der Fluss fließt. Der Damm wandelt diese kinetische Energie in potentielle Energie um.

Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk? Wasser wird zum Drehen der Turbine verwendet. Wenn sich die Turbine dreht, wird ein Generator angetrieben, der Strom erzeugt. Dieser Strom kann vollständig über Kabel vom Kraftwerk zu Ihnen nach Hause transportiert werden, sodass, wenn Sie das Netzkabel in eine Steckdose stecken, Strom in Ihren Computer fließt, damit dieser funktionieren kann.

Was ist hier passiert? Es gab bereits eine gewisse Energiemenge, die als kinetische Energie mit dem Wasser im Fluss verbunden war. Dann verwandelte es sich in potentielle Energie. Der Damm nahm dann diese potenzielle Energie auf und wandelte sie in Elektrizität um, die dann in Ihr Zuhause gelangen und Ihren Computer mit Strom versorgen konnte.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Durch das Studium dieses Gesetzes kann man verstehen, wie Energie funktioniert und warum alles auf mögliches Chaos und Unordnung zusteuert. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird auch Entropiegesetz genannt. Haben Sie sich jemals gefragt, wie das Universum entstanden ist? Der Urknalltheorie zufolge kam vor der Entstehung von allem eine riesige Menge Energie zusammen. Nach dem Urknall erschien das Universum. Das ist alles gut, aber was war das für eine Energie? Zu Beginn der Zeit befand sich die gesamte Energie im Universum an einem relativ kleinen Ort. Diese intensive Konzentration repräsentierte eine große Menge dessen, was man potenzielle Energie nennt. Im Laufe der Zeit breitete es sich über die weite Fläche unseres Universums aus.

In viel kleinerem Maßstab enthält das von einem Damm gespeicherte Wasserreservoir potenzielle Energie, da seine Lage es ermöglicht, durch den Damm zu fließen. In jedem Fall verteilt sich die gespeicherte Energie, sobald sie freigesetzt wird, und zwar ohne Anstrengung. Mit anderen Worten: Die Freisetzung potenzieller Energie ist ein spontaner Prozess, der ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Ressourcen abläuft. Wenn sich Energie ausbreitet, wird ein Teil davon in nutzbare Energie umgewandelt und verrichtet Arbeit. Der Rest wird in nicht nutzbare Energie umgewandelt, einfach Wärme genannt.

Da sich das Universum weiter ausdehnt, enthält es immer weniger nützliche Energie. Wenn ein weniger nützliches verfügbar ist, kann weniger Arbeit geleistet werden. Da das Wasser durch den Damm fließt, enthält es auch weniger nutzbare Energie. Diese Abnahme der nutzbaren Energie im Laufe der Zeit wird Entropie genannt, wobei Entropie die Menge ungenutzter Energie in einem System ist und ein System einfach die Ansammlung von Objekten ist, die das Ganze bilden.

Entropie kann auch als das Ausmaß an Zufälligkeit oder Chaos in einer Organisation ohne Organisation bezeichnet werden. Da die nutzbare Energie mit der Zeit abnimmt, nehmen Desorganisation und Chaos zu. Wenn also die angesammelte potentielle Energie freigesetzt wird, wird nicht alles davon in nutzbare Energie umgewandelt. Alle Systeme erfahren diesen Entropiezuwachs im Laufe der Zeit. Es ist sehr wichtig, dies zu verstehen, und dieses Phänomen wird als zweiter Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet.

Entropie: Zufälligkeit oder Defekt

Wie Sie vielleicht vermutet haben, folgt das zweite Gesetz dem ersten, das allgemein als Energieerhaltungssatz bezeichnet wird, und besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann. Mit anderen Worten: Die Energiemenge im Universum oder jedem anderen System ist konstant. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird allgemein als Entropiegesetz bezeichnet und besagt, dass Energie mit der Zeit weniger nützlich wird und ihre Qualität mit der Zeit abnimmt. Entropie ist der Grad der Zufälligkeit oder Fehler, die ein System aufweist. Wenn ein System sehr ungeordnet ist, weist es eine hohe Entropie auf. Wenn das System viele Fehler aufweist, ist die Entropie gering.

Vereinfacht ausgedrückt besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass die Entropie eines Systems mit der Zeit nicht abnehmen kann. Das bedeutet, dass die Dinge in der Natur von einem Zustand der Ordnung in einen Zustand der Unordnung übergehen. Und das ist irreversibel. Das System wird von alleine nie mehr Ordnung schaffen. Mit anderen Worten: In der Natur nimmt die Entropie eines Systems immer zu. Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist Ihr Zuhause. Wenn Sie es nie reinigen und saugen, wird es bald eine schreckliche Sauerei geben. Die Entropie hat zugenommen! Um ihn zu reduzieren, muss Energie aufgewendet werden, um den Staub mit einem Staubsauger und einem Wischmopp von der Oberfläche zu entfernen. Das Haus reinigt sich nicht von selbst.

Was ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik? Die Formulierung in einfachen Worten besagt, dass sich die Materie entweder frei bewegt oder die Entropie (Unordnung) in einem geschlossenen System zunimmt, wenn Energie von einer Form in eine andere wechselt. Temperatur-, Druck- und Dichteunterschiede neigen dazu, sich nach einiger Zeit horizontal auszugleichen. Aufgrund der Schwerkraft gleichen sich Dichte und Druck vertikal nicht an. Die Dichte und der Druck unten sind größer als oben. Die Entropie ist ein Maß für die Ausbreitung von Materie und Energie überall dort, wo sie Zugang hat. Die gebräuchlichste Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik wird hauptsächlich mit Rudolf Clausius in Verbindung gebracht, der sagte:

Es ist unmöglich, ein Gerät zu konstruieren, das keine andere Wirkung hat als die Übertragung von Wärme von einem Körper mit niedrigerer Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur.

Mit anderen Worten: Alles versucht, über die Zeit hinweg die gleiche Temperatur aufrechtzuerhalten. Es gibt viele Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, die unterschiedliche Begriffe verwenden, aber alle bedeuten dasselbe. Noch eine Aussage von Clausius:

Wärme an sich kommt nicht von einem kälteren Körper zu einem heißeren Körper.

Das zweite Gesetz gilt nur für große Systeme. Dabei handelt es sich um das wahrscheinliche Verhalten eines Systems, in dem weder Energie noch Materie vorhanden sind. Je größer das System, desto wahrscheinlicher ist das zweite Gesetz.

Ein anderer Wortlaut des Gesetzes:

Die Gesamtentropie nimmt in einem spontanen Prozess immer zu.

Die Entropiezunahme ΔS während des Prozesses muss größer oder gleich dem Verhältnis der auf das System übertragenen Wärmemenge Q zur Temperatur T, bei der die Wärme übertragen wird, sein.

Thermodynamisches System

Im Allgemeinen besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in einfachen Worten, dass Temperaturunterschiede zwischen miteinander in Kontakt stehenden Systemen dazu neigen, sich auszugleichen, und dass aus diesen Nichtgleichgewichtsunterschieden Arbeit gewonnen werden kann. Gleichzeitig geht jedoch Wärmeenergie verloren und die Entropie nimmt zu. Druck-, Dichte- und Temperaturunterschiede neigen dazu, sich auszugleichen, wenn man die Möglichkeit dazu hat; Dichte und Druck, nicht aber die Temperatur, hängen von der Schwerkraft ab. Eine Wärmekraftmaschine ist ein mechanisches Gerät, das aufgrund des Temperaturunterschieds zweier Körper nützliche Arbeit leistet.

Ein thermodynamisches System ist ein System, das mit der Region um es herum interagiert und Energie austauscht. Austausch und Übertragung müssen auf mindestens zwei Arten erfolgen. Eine Möglichkeit muss die Wärmeübertragung sein. Befindet sich ein thermodynamisches System „im Gleichgewicht“, kann es seinen Zustand oder Status nicht ändern, ohne mit seiner Umgebung zu interagieren. Einfach ausgedrückt: Wenn man im Gleichgewicht ist, ist man ein „glückliches System“, man kann nichts dagegen tun. Wenn Sie etwas tun möchten, müssen Sie mit der Welt um Sie herum interagieren.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Irreversibilität von Prozessen

Es ist unmöglich, einen zyklischen (sich wiederholenden) Prozess zu haben, der Wärme vollständig in Arbeit umwandelt. Es ist auch unmöglich, einen Prozess zu haben, der Wärme von kalten Objekten auf warme Objekte überträgt, ohne Arbeit zu erfordern. Bei einer Reaktion geht immer ein Teil der Energie durch Erhitzen verloren. Darüber hinaus kann das System nicht seine gesamte Energie in Arbeitsenergie umwandeln. Der zweite Teil des Gesetzes ist offensichtlicher.

Ein kalter Körper kann einen warmen Körper nicht erwärmen. Wärme neigt von Natur aus dazu, von wärmeren zu kühleren Bereichen zu fließen. Wenn sich die Wärme von kühleren zu wärmeren Temperaturen bewegt, widerspricht dies dem „Natürlichen“, sodass das System einiges an Arbeit leisten muss, um dies zu erreichen. in der Natur - der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Dies ist vielleicht das berühmteste (zumindest unter Wissenschaftlern) und wichtigste Gesetz in der gesamten Wissenschaft. Eine seiner Formulierungen:

Die Entropie des Universums tendiert zu ihrem Maximum.

Mit anderen Worten: Die Entropie bleibt entweder gleich oder wird größer; die Entropie des Universums kann niemals abnehmen. Das Problem ist, dass das immer wahr ist. Nimmt man eine Flasche Parfüm und versprüht sie in einem Raum, füllen bald duftende Atome den gesamten Raum, und dieser Vorgang ist irreversibel.

Zusammenhänge in der Thermodynamik

Die Gesetze der Thermodynamik beschreiben die Beziehungen zwischen thermischer Energie oder Wärme und anderen Energieformen und wie Energie die Materie beeinflusst. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann; Die Gesamtenergiemenge im Universum bleibt unverändert. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik befasst sich mit der Qualität der Energie. Es besagt, dass bei der Übertragung oder Umwandlung von Energie immer mehr Nutzenergie verloren geht. Das Zweite Gesetz besagt auch, dass jedes isolierte System von Natur aus dazu neigt, ungeordneter zu werden.

Selbst wenn die Ordnung an einem bestimmten Ort zunimmt, nimmt die Entropie immer zu, wenn man das gesamte System einschließlich der Umgebung berücksichtigt. In einem anderen Beispiel können sich Kristalle aus einer Salzlösung bilden, wenn Wasser verdampft. Kristalle sind geordneter als Salzmoleküle in Lösung; Allerdings ist verdunstetes Wasser viel schmutziger als flüssiges Wasser. Der gesamte Prozess führt zu einer Nettozunahme der Unordnung.

Arbeit und Energie

Der zweite Hauptsatz erklärt, dass es unmöglich ist, thermische Energie mit 100-prozentigem Wirkungsgrad in mechanische Energie umzuwandeln. Sie können ein Beispiel mit einem Auto geben. Nach dem Erhitzen des Gases, um seinen Druck zu erhöhen, um den Kolben anzutreiben, verbleibt immer etwas Wärme im Gas, die nicht für die Verrichtung zusätzlicher Arbeit genutzt werden kann. Diese Abwärme muss durch Übertragung auf den Heizkörper abgeführt werden. Im Falle eines Automotors geschieht dies durch Absaugen des abgebrannten Brennstoff-Luft-Gemisches in die Atmosphäre.

Darüber hinaus erzeugt jedes Gerät mit beweglichen Teilen Reibung, die mechanische Energie in Wärme umwandelt, die normalerweise unbrauchbar ist und durch Übertragung auf einen Kühlkörper aus dem System entfernt werden muss. Wenn ein heißer und ein kalter Körper miteinander in Kontakt kommen, fließt Wärmeenergie vom heißen Körper zum kalten Körper, bis sie ein thermisches Gleichgewicht erreichen. Die Wärme wird jedoch niemals in die andere Richtung zurückkehren; Der Temperaturunterschied zwischen zwei Körpern wird niemals spontan ansteigen. Die Übertragung von Wärme von einem kalten Körper auf einen heißen Körper erfordert Arbeit, die von einer externen Energiequelle wie einer Wärmepumpe geleistet werden muss.

Schicksal des Universums

Das Zweite Gesetz sagt auch das Ende des Universums voraus. Dies ist das höchste Maß an Unordnung. Wenn überall ein konstantes thermisches Gleichgewicht herrscht, kann keine Arbeit geleistet werden und die gesamte Energie endet in einer zufälligen Bewegung von Atomen und Molekülen. Nach modernen Daten handelt es sich bei der Metagalaxie um ein expandierendes instationäres System, von einem thermischen Tod des Universums kann keine Rede sein. Der Hitzetod ist ein Zustand des thermischen Gleichgewichts, in dem alle Prozesse zum Erliegen kommen.

Diese Position ist falsch, da der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nur für geschlossene Systeme gilt. Und das Universum ist, wie wir wissen, grenzenlos. Der Begriff „Hitzetod des Universums“ selbst wird jedoch manchmal verwendet, um ein Szenario für die zukünftige Entwicklung des Universums zu bezeichnen, wonach es sich auf unbestimmte Zeit in die Dunkelheit des Weltraums ausdehnen wird, bis es sich in verstreuten kalten Staub verwandelt.

Vorlesung 17

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Fragen

Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen. Carnot-Zyklus.

Entropie, zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.

3. Echte Gase. Van-der-Waals-Gleichung.

Isothermen realer Gase. Phasendiagramm.

4. Innere Energie von echtem Gas.

Joule-Thomson-Effekt.

1. Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen. Carnot-Zyklus

Zyklus Dies wird als kreisförmiger Prozess bezeichnet, bei dem das System nach Durchlaufen einer Reihe von Zuständen in seine ursprüngliche Position zurückkehrt.

Direkter Zyklus

Motoreffizienz

Rückwärtsgang

Kühlkoeffizient

Heizkoeffizient

Carnot-Zyklus ist ein Zyklus eines idealen Motors, bei dem Wärme unter isothermen Bedingungen bei Heizungstemperaturen zugeführt und abgeführt wird T 1 und Kühlschrank T 2, Übergang von T 1 zu T 2 und umgekehrt wird unter adiabatischen Bedingungen durchgeführt.

A ts = A 12 + A 23 + A 34 + A 41 (1)

, (2)

, (3)

, (4)

. (5)

. (6)

(7)

Carnots Theoreme:

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, die bei bestimmten Temperaturen von Heizung und Kühlschrank arbeitet, kann nicht größer sein als der Wirkungsgrad einer Maschine, die in einem reversiblen Carnot-Zyklus bei gleichen Temperaturen von Heizung und Kühlschrank arbeitet.

Der Wirkungsgrad einer nach dem Carnot-Zyklus arbeitenden Wärmekraftmaschine hängt nicht von der Art des Arbeitsmediums ab, sondern kommt darauf annur auf die Temperaturen der Heizung und des Kühlschranks.

Abhängigkeit der Effizienz des Carnot-Zyklus von der Heiztemperatur(T 2 = 0 Ö C)

T 1, o C
 T , %

;


, (8)

Als Grundlage für die Feststellung diente der Satz von Carnot thermodynamische Temperaturskala Eine solche thermodynamische Skala hängt nicht mit den Eigenschaften eines bestimmten thermometrischen Körpers zusammen.

1. Entropie, zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Entropie ist das Verhältnis der einem thermodynamischen System in einem bestimmten Prozess zugeführten Wärme zur absoluten Temperatur dieses Körpers.

(9)

Diese Funktion wurde erstmals von S. Carnot unter dem Namen eingeführt reduzierte Hitze , dann benannt von Clausius (1865).

, (10)

- Wärme zugeführt wird,

- Wärme wird abgeführt.

Entropieänderung in Sonderfällen eines polytropen Prozesses

1.


isobarer Prozess.

(11)

2 .




isothermer Prozess

1. Hauptsatz der Thermodynamik:


(12)

3. -Adiabatischer Prozess.

isentroper Prozess(13)

4. Isochorischer Prozess.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Sätze Richtung der Ablauf thermischer Prozesse.

Formulierung eines deutschen Physikers R. ClausiusA: Ein Prozess ist unmöglich, dessen einziges Ergebnis die Übertragung von Energie durch Wärmeaustausch von einem Körper mit niedriger Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur wäre.

Formulierung eines englischen Physikers W. KelvinA: V Eine zyklisch arbeitende Wärmekraftmaschine ist nicht in der Lage, die gesamte aus einem einzigen Wärmespeicher aufgenommene Wärmemenge in mechanische Arbeit umzuwandeln.

Wahrscheinlichkeitsformulierung des österreichischen Physikers L. Boltzmann: Er schlug vor, Entropie als zu betrachten Maß für die statistische Störung geschlossenes thermodynamisches System. Jeder Zustand eines Systems mit großer Unordnung ist durch große Unordnung gekennzeichnet. Thermodynamische Wahrscheinlichkeit W Zustand des Systems ist Anzahl der Möglichkeiten, durch die ein gegebener Zustand eines makroskopischen Systems realisiert werden kann, oder die Zahl Mikrostaaten, Implementierung dieses Makrozustands. Per Definition thermodynamische Wahrscheinlichkeit W >> 1.

S = k ln W, (14)

Wo k= 1,38·10 –23 J/K – Boltzmanns Konstante.

Somit wird die Entropie durch den Logarithmus der Anzahl der Mikrozustände bestimmt, mit deren Hilfe ein Makrozustand realisiert werden kann. Folglich kann die Entropie als Maß für die Wahrscheinlichkeit des Zustands eines thermodynamischen Systems angesehen werden.

Alle spontan ablaufenden Prozesse in einem geschlossenen System, die das System einem Gleichgewichtszustand nähern und mit einer Zunahme der Entropie einhergehen, zielen darauf ab, die Wahrscheinlichkeit des Zustands zu erhöhen.

(15)

diese. Die Entropie eines geschlossenen Systems kann entweder zunehmen (bei irreversiblen Prozessen) oder konstant bleiben (bei reversiblen Prozessen).

Da die Entropie nur in einem Nichtgleichgewichtsprozess zunimmt, erfolgt ihr Anstieg so lange, bis das System einen Gleichgewichtszustand erreicht. Folglich entspricht der Gleichgewichtszustand der maximalen Entropie. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Entropie ein Maß für die Nähe eines Systems zu einem Gleichgewichtszustand, d. h. in einen Zustand mit minimaler potentieller Energie.

3. Echte Gase. Van-der-Waals-Gleichung. Isothermen realer Gase. Phasendiagramm

Das Verhalten eines realen Gases unterscheidet sich vom Verhalten eines idealen Gases. Somit beträgt der Radius der Moleküle der meisten Gase etwa 10 -10 m (1Ǻ), daher beträgt das Volumen der Moleküle etwa 410  30 m 3. 1 m 3 Gas enthält unter normalen Bedingungen 2,710 25 Moleküle. Somit liegt das Eigenvolumen der Moleküle in 1 m 3 unter normalen Bedingungen in der Größenordnung von 1,210  4 m 3, d. h. etwa 0,0001 des von Gas eingenommenen Volumens.

Jeder Stoff kann je nach seinen Zustandsparametern unterschiedlich sein Aggregatzustände:fest, flüssig, gasförmig, Plasma .

Niederländischer Physiker Van der Waals führte zwei Änderungen an der Mendeleev-Clapeyron-Gleichung ein:

1. Berücksichtigung des Eigenvolumens eines Moleküls

Volumen eines Moleküls: ;

Unzugängliches Volumen eines Molekülpaares (pro Molekül):

- das Volumen des Moleküls vervierfachen.

Nicht verfügbare Lautstärke für alles N A Moleküle von einem Kilomol:

interner Druck;A– Van-der-Waals-Konstante, die die Kräfte der intermolekularen Anziehung charakterisiert.

Van-der-Waals-Gleichung für ein Mol Gas (Zustandsgleichung realer Gase):

. (16)

Van-der-Waals-Gleichung für eine beliebige Gasmasse

. (17)

Für feste Druck- und Temperaturwerte hat Gleichung (16) drei Wurzeln in Bezug auf V(V 1 , V 2 , V 3)

(V   V 1 )(V   V 2)(V   V 3 ) = 0.

Das zweite Gesetz ist mit dem Konzept der Entropie verbunden, die ein Maß für Chaos (oder ein Maß für Ordnung) ist. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass für das Universum als Ganzes die Entropie zunimmt.

Es gibt zwei klassische Definitionen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik:

1. Kelvin und Planck: Es gibt keinen Kreisprozess, der einem Reservoir bei einer bestimmten Temperatur eine Wärmemenge entzieht und diese Wärme vollständig in Arbeit umwandelt. (Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu bauen, die nichts anderes tut, als eine Last zu heben und ein Wärmereservoir zu kühlen.)
2. Clausius: Es gibt keinen Prozess, dessen einziges Ergebnis die Übertragung einer Wärmemenge von einem weniger erhitzten Körper auf einen stärker erhitzten Körper ist. (Ein Kreislaufprozess ist unmöglich, dessen einziges Ergebnis die Produktion von Arbeit durch Abkühlung des Wärmespeichers wäre)

Beide Definitionen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik basieren auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Energie abnimmt. Das zweite Gesetz hängt mit dem Konzept zusammen Entropie (S).

Entropie Sie wird von allen Prozessen erzeugt und ist mit dem Verlust der Arbeitsfähigkeit des Systems verbunden. Das Wachstum der Entropie ist ein spontaner Prozess. Wenn Volumen und Energie eines Systems konstant sind, erhöht jede Änderung im System die Entropie. Ändert sich das Volumen oder die Energie des Systems, nimmt die Entropie des Systems ab. Die Entropie des Universums nimmt jedoch nicht ab.

Damit Energie genutzt werden kann, muss es im System Bereiche mit hohem und niedrigem Energieniveau geben. Durch die Übertragung von Energie von einem Bereich mit hohem Energieniveau in einen Bereich mit niedrigem Energieniveau entsteht nützliche Arbeit.

• 100 % der Energie können nicht in Arbeit umgewandelt werden
• Entropie kann erzeugt, aber nicht zerstört werden

Effizienz der Wärmekraftmaschine

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, die zwischen zwei Energieniveaus arbeitet, wird anhand der absoluten Temperaturen bestimmt

• η = (T h – T c) / T h = 1 – T c / T h
  • η = Effizienz
  • T h = Obergrenze (K)
  • T c = untere Temperaturgrenze (K)

Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, sollte T c so niedrig wie möglich gehalten werden. Damit die Wirkung 100 % beträgt, muss T c auf der Kelvin-Skala gleich 0 sein. In der Praxis ist dies unmöglich, daher liegt der Wirkungsgrad immer unter 1 (weniger als 100 %).

• Entropieänderung > 0 Irreversibel Verfahren
• Entropieänderung = 0 Bilateral Prozess (reversibel)
• Entropieänderung< 0 Unmöglich Prozess (nicht machbar)

Die Entropie bestimmt die relative Fähigkeit eines Systems, ein anderes zu beeinflussen. Wenn sich die Energie auf ein niedrigeres Energieniveau bewegt, wo das Potenzial für Auswirkungen auf die Umwelt abnimmt, nimmt die Entropie zu.

Definition von Entropie

Entropie in einem System mit konstantem Volumen ist definiert als:

• dS = dH/T
  • S = Entropie (kJ/kg*K)
  • H = (kJ/kg) (manchmal wird dQ anstelle von dH = dem System zugeführte Wärmemenge geschrieben)
  • T = absolute Temperatur (K - )

Eine Änderung der Entropie eines Systems wird durch eine Änderung des Wärmeinhalts darin verursacht. Die Entropieänderung ist gleich der Wärmeänderung des Systems geteilt durch die durchschnittliche absolute Temperatur (Ta):

Carnot-Wärmezyklus. Der Carnot-Zyklus ist ein idealer thermodynamischer Kreisprozess.

dS = dH / T a Die Summe der Werte (dH / T) für jeden vollständigen Carnot-Zyklus ist 0. Dies liegt daran, dass es für jedes positive H einen entgegengesetzten negativen H-Wert gibt.

In einer Wärmekraftmaschine wird Gas (reversibel) erhitzt und anschließend abgekühlt. Das Zyklusmodell ist wie folgt: Position 1 --() --> Position 2 --() --> Position 3 --(isotherme Kompression) --> Position 4 --(adiabatische Kompression) --> Position 1

• Position 1 – Position 2: Isotherme Expansion
  • Isotherme Expansion. Zu Beginn des Prozesses hat das Arbeitsmedium eine Temperatur T h, also die Temperatur der Heizung. Der Körper wird dann mit einer Heizung in Kontakt gebracht, die ihm isotherm (bei konstanter Temperatur) eine Wärmemenge QH überträgt. Gleichzeitig vergrößert sich das Volumen des Arbeitsmediums. Q H =∫Tds=T h (S 2 -S 1) =T h ΔS
• Position 2 – Position 3: Adiabatische Expansion
  • Adiabatische (isentropische) Expansion. Das Arbeitsmedium wird von der Heizung getrennt und dehnt sich ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung weiter aus. Gleichzeitig sinkt seine Temperatur auf die Temperatur des Kühlschranks.
• Position 3 – Position 4: Isotherme Kompression
  • Isotherme Kompression. Das Arbeitsmedium, das zu diesem Zeitpunkt eine Temperatur Tc hat, wird mit dem Kühlschrank in Kontakt gebracht und beginnt isotherm zu komprimieren, wodurch die Wärmemenge Qc an den Kühlschrank abgegeben wird. Q c = T c (S 2 – S 1) = T c ΔS
• Position 4 – Position 1: Adiabatische Kompression
  • Adiabatische (isentropische) Kompression. Das Arbeitsmedium wird vom Kühlschrank getrennt und ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung komprimiert. Gleichzeitig steigt seine Temperatur auf die Temperatur der Heizung.

Bei isothermen Prozessen bleibt die Temperatur konstant, bei adiabatischen Prozessen findet kein Wärmeaustausch statt, sodass die Entropie erhalten bleibt. Daher ist es zweckmäßig, den Carnot-Zyklus in T- und S-Koordinaten (Temperatur und Entropie) darzustellen. Die Gesetze der Thermodynamik wurden empirisch (experimentell) ermittelt. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist eine Verallgemeinerung von Experimenten zur Entropie. Es ist bekannt, dass dS des Systems plus dS der Umgebung gleich oder größer als 0 ist – Gesetz der nicht abnehmenden Entropie . Die Entropie eines adiabatisch isolierten Systems ändert sich nicht! 100 °C (373 K) bei Verdunstung = 2.258 kJ/kg

• Änderung der spezifischen Entropie:
• dS = dH / T a = (2 258 - 0) / ((373 + 373)/2) = 6.054 kJ/kg*K

Die Gesamtänderung der spezifischen Entropie der Wasserverdampfung ist die Summe der spezifischen Entropie von Wasser (bei 0 °C) plus der spezifischen Entropie von Dampf (bei einer Temperatur von 100 °C).

Das Muster der Wärmeübertragung von einem Objekt auf ein anderes wird in der Aussage zur Wärmeübertragung berücksichtigt. Der gesamte Prozess besteht aus einem internen Energieaustausch zwischen Objekten, der als Wärme bezeichnet wird.

Der richtige Prozess zielt nur darauf ab, einen gleichen Zustand zu erreichen, sei es thermisch, mechanisch oder anders. Dieser Vorgang ist im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik enthalten, der für Wärmekraftmaschinen von großer Bedeutung ist. Dieses Gesetz besagt, dass sich Wärme nur von selbst von einem Objekt mit hoher Temperatur zu einem Objekt mit niedriger Temperatur bewegen kann. Um den umgekehrten Zyklus durchzuführen, ist ein gewisser Arbeitsaufwand erforderlich. Daraus können wir die Schlussfolgerung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ableiten: Dieser Vorgang, bei dem sich die Wärme selbst von einem Objekt mit weniger Wärme zu einem Objekt mit der größten Wärme bewegt, kann nicht existieren.

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Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gibt einst eine Einschätzung darüber, unter welchen Bedingungen Wärme genutzt werden kann und wie viel sie genutzt werden möchte. Jede offene thermodynamische Aktion während der Volumenzunahme funktioniert mit einem Pluszeichen.

Formel des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik

Dabei wird L- das letzte Werk sein, v1 und v2- ihr eigener anfänglicher und endgültiger spezifischer Band.
Da die Expansionswirkung nicht unendlich sein kann, wird die Umwandlung von Wärme in Arbeit dadurch begrenzt. Bei einer geschlossenen Kreisbewegung erfolgt dieser Vorgang kontinuierlich.

Jede in einem Zyklus auftretende Aktion erfolgt mit der Zufuhr oder Entfernung von Wärme dQ, begleitet von Kosten oder Arbeitsleistung, einer Verringerung oder Erhöhung der Energie im Körper und einer Voraussetzung dQ=dU+dL , dg=du+d1 durchgeführt werden muss. Schließlich beweist es das ohne Hitze (dg=0) Alle Aktionen erfolgen aufgrund der inneren Energie des Systems, und der Wärmeeintrag in das System kann durch Thermodynamik bestimmt werden.

Closed-Loop-Integration:

wobei Qt, Lt – die in Arbeit umgewandelte Wärme ist, L1- L2 – die von diesem Körper geleistete Arbeit. Q1 wird Wärme zugeführt, Q2 wird Wärme abgeführt. Das bedeutet Lts = Qts = Q1-Q2
Wärme kann dem Körper Q1 nur zugeführt werden, wenn ein wärmerer Körper vorhanden ist, und Wärme kann von Q2 nur entfernt werden, wenn ein kälterer Körper vorhanden ist. Wenn der Prozess zyklisch ist, benötigen Sie zwei Quellen mit unterschiedlichen Temperaturen.

Irreversibel angerufen physikalischer Vorgang, die spontan nur in eine bestimmte Richtung fließen kann.

Umgekehrt können solche Prozesse nur als Teil eines komplexeren Prozesses auftreten.

Fast alle in der Natur ablaufenden Prozesse sind irreversibel. Dies liegt daran, dass in jedem realen Prozess ein Teil der Energie durch Strahlung, Reibung usw. verloren geht. Beispielsweise wandert Wärme bekanntlich immer von einem heißeren Körper zu einem kälteren – das ist das typischste Beispiel eines irreversiblen Prozesses (obwohl der umgekehrte Übergang nicht dem Energieerhaltungssatz widerspricht).

Außerdem wird eine Kugel (Pendel), die an einem leichten Faden hängt, niemals spontan die Amplitude ihrer Schwingungen erhöhen; im Gegenteil, wenn sie einmal durch eine äußere Kraft in Bewegung gesetzt wird, stoppt sie aufgrund des Luftwiderstands und der Reibung des Fadens schließlich auf die Federung. Somit wandelt sich die auf das Pendel übertragene mechanische Energie in die innere Energie der chaotischen Bewegung von Molekülen (Luft, Suspensionsmaterial) um.

Mathematisch drückt sich die Irreversibilität mechanischer Prozesse darin aus, dass sich die Bewegungsgleichung makroskopischer Körper mit einer Änderung des Vorzeichens der Zeit ändert: Sie sind beim Ersetzen nicht invariant T An - T. In diesem Fall ändern Beschleunigung und abstandsabhängige Kräfte ihr Vorzeichen nicht. Ersatzschild T An - Tändert sich mit der Geschwindigkeit. Dementsprechend wechselt die von der Geschwindigkeit abhängige Kraft, die Reibungskraft, das Vorzeichen. Deshalb wird bei der Arbeit durch Reibungskräfte die kinetische Energie des Körpers irreversibel in innere Energie umgewandelt.

Die Richtung der Prozesse in der Natur gibt an Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik- eines der Grundgesetze der Thermodynamik, das die Irreversibilität realer thermodynamischer Prozesse begründet.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wurde 1824 von N. L. S. Carnot, dann 1841 von W. Thomson (Kelvin) und 1850 von R. Clausius als Naturgesetz formuliert. Die Formulierungen des Gesetzes sind unterschiedlich, aber gleichwertig.

Der deutsche Wissenschaftler R. Clausius formulierte das Gesetz wie folgt: Es ist unmöglich, Wärme von einem kälteren System auf ein heißeres zu übertragen, wenn keine anderen gleichzeitigen Veränderungen in beiden Systemen oder umgebenden Körpern stattfinden. Dies bedeutet, dass Wärme nicht spontan von einem kälteren Körper auf einen heißeren übertragen werden kann ( Clausius-Prinzip).

Nach Thomsons Formulierung ist der Prozess, bei dem Arbeit in Wärme umgewandelt wird, ohne dass sich der Zustand des Systems sonst noch ändert, irreversibel, d Zustand des Systems ( Thomsons Prinzip).