Andre lov om termodynamikkformler, ligninger, eksempler

De Andre lov om termodynamikk har flere uttrykksformer. En av dem sier at ingen termisk maskin er i stand til fullstendig å konvertere all energien den absorberes til brukbart arbeid (Kelvin-Planck-formulering). En annen måte å oppgi det er å si at virkelige prosesser oppstår i en slik forstand at kvaliteten på energi er lavere fordi Entropi Det har en tendens til å øke.

Denne loven, også kjent som det andre prinsippet om termodynamikk, har blitt uttrykt på forskjellige måter med tidenes bortgang, fra begynnelsen av 1800 -tallet til i dag, selv om dens opprinnelse er fra opprettelsen av de første dampmaskinene i England, på begynnelsen av 1700 -tallet.

Figur 1. Når du bygger konstruksjonsblokkene på gulvet, ville det være veldig overraskende å falle bestilt. Kilde: Pixabay.

Men selv om det kommer til uttrykk på mange måter, vil du i all ideen om at det alltid vil eksistere noe prosess på 100%, siden tap alltid vil eksistere.

Alle de termodynamiske systemene holder seg til dette prinsippet, og starter med selve universet til koppen morgenkaffe som venter stille på bordet og utveksler varme med miljøet.

Kaffen avkjøles når tiden går, til den er i termisk likevekt med miljøet, så det ville være veldig overraskende om det motsatte en dag ville skje og atmosfæren ville avkjøles mens kaffen ville varme opp for seg selv. Det er usannsynlig å skje, noen vil si det umulig, men det er nok å forestille seg at det har en ide om den sansen for at ting skjer spontant.

I et annet eksempel, hvis vi skyver en bok på overflaten av et bord, vil den til slutt stoppe, fordi den kinetiske energien vil gå tapt i form av varme på grunn av friksjon.

Termodynamikkens første og andre lov ble opprettet rundt 1850, takket være forskere som Lord Kelvin -skaper av begrepet "termodynamikk" -, William Rankine -Author av den første formelle teksten til termodynamikk -og Rudolph Clausius.

[TOC]

Formler og ligninger

Entropi -mindre enn begynnelsen -Helps oss etablerer den betydningen ting skjer. La oss gå tilbake til eksemplet med kroppene i termisk kontakt.

Når to objekter ved forskjellige temperaturer settes i kontakt og til slutt etter en stund når de når termisk balanse, blir de drevet til det av det faktum at entropien når sitt maksimum, når temperaturen på begge er den samme er den samme.

Betegner entropi som S, Endringen i entropi ΔS av et system er gitt av:

Q er varmen i Joules og T er temperaturen i Kelvins. I det internasjonale systemet med SI -enheter er entropi gitt i Joules/Kelvins eller J/K.

Endringen av entropi ΔS Det indikerer graden av forstyrrelse i et system, men det er en begrensning i bruken av denne ligningen: det er bare aktuelt for reversible prosesser, det vil si de der systemet kan komme tilbake til sin opprinnelige tilstand uten å legge igjen et merke av hva skjedde-.

I irreversible prosesser manifesteres den andre loven om termodynamikk som følger:

Kan tjene deg: Reynolds nummer: Hva er det for, hvordan det beregnes, øvelser

Ulikhet oppstår fordi i irreversible prosesser alltid øker.

Reversible og irreversible prosesser

Kaffekoppen avkjøles alltid og er et godt eksempel på en irreversibel prosess, siden den alltid forekommer i en retning. Hvis krem ​​tilsettes kaffen og rør, vil det oppnås en veldig behagelig kombinasjon, men uansett hvor røring igjen, vil ikke kaffen og kremen være igjen, fordi det er irreversibel.

Figur 2. Koppbrudd er en irreversibel prosess. Kilde: Pixabay.

Selv om de fleste av de daglige prosessene er irreversible, er det noen nesten Reversibel. Reversibilitet er en idealisering. For å bli utført, må systemet endre seg veldig sakte, slik at det på hvert punkt alltid er i balanse. På denne måten er det mulig å returnere den til en tidligere stat uten å legge merke til et merke rundt.

Prosessene som er ganske nær dette idealet er mer effektive, siden de leverer en større mengde arbeid med mindre energiforbruk.

Friksjonskraften er ansvarlig for mye av irreversibiliteten, fordi varmen som genereres av den ikke er den typen energi som blir søkt. I boken som glir over bordet, er varme etter friksjon energi som ikke blir gjenvunnet.

Selv om boka kommer tilbake til sin opprinnelige posisjon, vil bordet ha vært varm som et fotavtrykk for å komme og gå på den.

Nå observer en glødende pære: Det meste av arbeidet som er utført av strømmen som krysser glødetråden, er bortkastet i varmen av Joule -effekten. Bare en liten prosentandel brukes til å avgi lys. I begge prosesser (bok og pære) har systemets entropi økt.

applikasjoner

En ideell motor er den som er bygget gjennom reversible prosesser og mangler friksjon som forårsaker energiavfall, snur nesten All termisk energi i brukbart arbeid.

Vi legger vekt på ordet nesten, fordi ikke engang den ideelle motoren, som er Carnot, har 100% effektivitet. Den andre loven om termodynamikk er ikke på denne måten.

Carnot Engine

Carnots motor er den mest effektive motoren som kan utvikles. Den fungerer mellom to temperaturavsetninger i to isotermiske prosesser - ved konstant temperatur - og to adiabatiske prosesser - uten termisk energioverføring-.

Grafene kalt PV -trykkdiagrammer - Volum - Avklar situasjonen:

Figur 3. Til venstre for Carnot-motorens ordning og til høyre P-V-diagrammet. Kilde: Wikimedia Commons.

Til venstre, i figur 3 er Carnot C Motor -ordningen, som tar varme Q₁ av avsetningen ved temperatur t₁, konvertere den varmen til arbeid w og gi i avfall som₂ til den kaldeste avsetningen, som er ved temperatur t₂.

Starter fra A utvides systemet til det når B, absorberer varme til fast temperatur t₁. I B begynner systemet en adiabatisk utvidelse der varmen ikke er vunnet eller tapt, for å komme til C.

I C begynner en annen isotermisk prosess: å gi varme til den andre kaldere termiske avsetningen som er på t₂. Når dette skjer, er systemet komprimert og punkt D er nådd. Der begynner en ny adiabatisk prosess for å gå tilbake til utgangspunktet til. På denne måten er en syklus fullført.

Det kan tjene deg: Varmeoverføring ved å kjøre (med eksempler)

Carnots effektivitet avhenger av temperaturene i Kelvin på de to termiske forekomstene:

Maksimal effektivitet = (q_inngang - Q_exit) /Q_inngang = 1 - (t₂/T₁)

Carnots teorem uttaler at dette er den mest effektive termiske maskinen, men ikke skynder deg med å kjøpe den. Husker du hva vi sa om reversibiliteten av prosesser? De må skje veldig, veldig sakte, så utgangskraften til denne maskinen er praktisk talt null.

Menneskelig metabolisme

Mennesker trenger energi for å holde alle systemene sine i arbeid, derfor oppfører de seg som termiske maskiner som får energi og transformerer det til mekanisk energi til for eksempel å flytte.

Effektivitet og av menneskekroppen når du gjør en jobb, kan defineres som forholdet mellom den mekaniske kraften den kan gi og den totale energiinngangen, som følger med mat.

Som den gjennomsnittlige strømmen P_m Det er arbeid utført i et tidsintervall Δt, Det kan uttrykkes som:

P_m = W/Δt

Ja ΔU/Δt Det er den hastigheten som energi tilsettes. Kroppseffektivitet gjenstår:

Det anses at effektiviteten er en positiv mengde, som sikres ved hjelp av absolutte verdibinjer i forrige formel.

Gjennom mange tester med frivillige er det oppnådd effektivitet på opptil 17%, og leverer omtrent 100 watt strøm i flere timer.

Selvfølgelig vil dette i stor grad avhenge av oppgaven som gjøres. Pedaling av en sykkel har litt større effektivitet, på omtrent 19 %, mens repeterende oppgaver som inkluderer kniver, topper og hoes har en effektivitet så lav som omtrent 3 %.

Eksempler

Den andre loven om termodynamikk er implisitt i alle prosesser som oppstår i universet. Entropi vokser alltid, selv om det i noen systemer ser ut til å avta. For at dette skal ha økt andre steder, slik at det i den totale balansen er positiv.

- I læring er det entropi. Det er mennesker som lærer ting godt og raskt, i tillegg til å kunne huske dem lett. Det sies at de er mennesker med lav entropi -læring, men de er sikkert mindre tallrike enn de med høy entropi: de som har mest husker tingene de studerer.

- Et selskap med uorganiserte arbeidere har mer entropi enn et der arbeidere utfører oppgaver på en ryddig måte. Det er tydelig at sistnevnte vil være mer effektiv enn den første.

- Friksjonskrefter genererer mindre effektivitet i funksjonen til maskiner, fordi de øker mengden spredt energi som ikke kan brukes effektivt.

- Å lansere en terning har større entropi enn å kaste en mynt i luften. Tross alt har lansering av en valuta bare 2 mulige resultater, mens lansering av terningen er 6. Jo flere hendelser er sannsynlige, jo mer entropi eksisterer.

Kan tjene deg: Hva er elementene i bevegelsen?

Løste øvelser

Oppgave 1

En sylinder med et stempel er fylt med en blanding av væske- og vanndamp ved 300 K og 750 kJ varme overføres til en konstant trykkprosess. Som et resultat blir væsken inne i sylinderen fordampet. Beregn endring av entropi i prosessen.

Figur 4. Figur for eksemplet løst 1. Kilde: f. Zapata.

Løsning

Prosessen beskrevet i uttalelsen utføres ved konstant trykk i et lukket system, som ikke opplever masseutveksling.

Siden det er fordampning, hvor temperaturen ikke endres (under faseendringer er temperaturen konstant), kan definisjonen av entropiendring gitt ovenfor brukes og temperaturen kan forlate integralen:

Evaluering med dataene som er gitt:

ΔS = 750.000 J / 300 K = 2500 J / K.

Siden systemet kommer til systemet, er endringen i entropi positiv.

Oppgave 2

En gass lider av en trykkøkning på 2.00 til 6.00 atmosfærer (ATM), opprettholder et konstant volum på 1.00 m³, og utvid deretter med konstant trykk til det når et volum på 3.00 m³. Til slutt gå tilbake til sin opprinnelige tilstand. Beregn hvor mye arbeid som utføres i 1 syklus.

Figur 5. Termodynamisk prosess i en gass for eksempel 2. Kilde: Serway -Vyll. Fundamentals of Physics.

Løsning

Det er en syklisk prosess der den interne energimannen er ugyldig, i henhold til den første loven om termodynamikk, derfor q = w. I et P -V -diagram (trykk - volum) tilsvarer arbeidet som er utført under en syklisk prosess, området som er låst av kurven. For å gi resultatene i det internasjonale systemet er det nødvendig å endre enheter i presset gjennom følgende konverteringsfaktor:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 PA.

Området som er omsluttet av grafen tilsvarer det for en trekant hvis base (3 - 1 m³) = 2 m³ og hvis høyde er (6 - 2 atm) = 4 atm = 405.300 PA

W_Abca = ½ (2 m³ x 405300 pa) = 405300 j = 405.3 kj.

Øvelse 3

Det sies at en av de mest effektive maskinene som er bygget er en dampturbin drevet av kull på Ohio -elven, som brukes til å drive en elektrisk generator som opererer mellom 1870 og 430 ° C.

Beregn: a) Maksimal teoretisk effektivitet, b) Den mekaniske kraften levert av maskinen hvis den absorberes 1.40 x 10⁵ J av energi hvert sekund fra den varme tanken. Det er kjent at reell effektivitet er 42.0%.

Løsning

a) Maksimal effektivitet beregnes med ligningen gitt ovenfor:

Maksimal effektivitet = (q_inngang - Q _exit) /Q_inngang = 1 - (t₂/T₁)

For å gi Celsius til Kelvin, er det nok å legge til 273.15 ved Celsius -temperaturen:

Multipliser med 100% har du maksimal prosentvis effektivitet, som er 67.2%

c) Hvis den reelle effektiviteten er 42%, er det en maksimal effektivitet på 0.42.

Den mekaniske kraften som leveres er: p = 0.42 x 1.40 x10 ⁵ J/s = 58800 w.

Referanser

1. Bauer, w. 2011. Fysikk for ingeniørfag og vitenskap. Volum 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, og. 2012. Termodynamikk. 7^ma Utgave. McGraw Hill.
3. Figueroa, d. (2005). Serier: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 4. Væsker og termodynamikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, r.  2017. Fysikk for forskere og ingeniørfag: En strategitilnærming.
5. López, ca. Den første loven om termodynamikk. Gjenopprettet fra: Culturacientifica.com.
6. Serway, r. 2011. Fundamentals of Physics. 9^na Cengage Learning.
7. Sevilla University. Termiske maskiner. Gjenopprettet fra: Laplace.oss.er