De tweede wet van de thermodynamica kenmerkt. Entropie

De wet van behoud van energie stelt dat de hoeveelheid energie in elk proces ongewijzigd blijft. Maar hij zegt niets over welke energietransformaties mogelijk zijn.

Energiebehoud verbiedt niet, processen die worden ervaren komen niet voor:

Een heter lichaam verwarmen met een kouder lichaam;

Spontaan slingeren van de slinger vanuit een rusttoestand;

Zand verzamelen tot steen, enz.

Processen in de natuur hebben een bepaalde richting. In de tegenovergestelde richting kunnen ze niet spontaan stromen. Alle processen in de natuur zijn onomkeerbaar(veroudering en dood van organismen).

onomkeerbaar een proces kan zo'n proces worden genoemd, waarvan het omgekeerde alleen kan verlopen als een van de schakels van een complexer proces. Spontaan worden dergelijke processen genoemd die plaatsvinden zonder de invloed van externe lichamen, en daarom zonder veranderingen in deze lichamen).

De processen van overgang van een systeem van de ene toestand naar de andere, die in de tegenovergestelde richting kunnen worden uitgevoerd door dezelfde reeks tussenliggende evenwichtstoestanden, worden genoemd omkeerbaar. In dit geval keren het systeem zelf en de omringende lichamen volledig terug naar hun oorspronkelijke staat.

Seconde s-n thermodynamica geeft de richting aan van mogelijke energietransformaties en drukt daarmee de onomkeerbaarheid van processen in de natuur uit. Het wordt vastgesteld door directe generalisatie van experimentele feiten.

De formulering van R. Clausius: het is onmogelijk om warmte van meer over te dragen koud systeem naar een hetere bij afwezigheid van gelijktijdige veranderingen in beide systemen of omringende lichamen.

Formulering van W. Kelvin: het is onmogelijk om zo'n periodiek proces uit te voeren, met als enige resultaat dat er arbeid wordt verkregen door warmte uit één bron.

Onmogelijk thermische perpetuum mobile van de tweede soort, d.w.z. een motor die mechanisch werk verricht door een enkel lichaam te koelen.

De verklaring van de onomkeerbaarheid van processen in de natuur heeft een statistische (probabilistische) interpretatie.

puur mechanische processen(zonder wrijving) zijn omkeerbaar, d.w.z. zijn invariant (niet veranderen) onder de verandering t → -t. De bewegingsvergelijkingen van elk afzonderlijk molecuul zijn ook invariant met betrekking tot tijdtransformatie, aangezien bevatten alleen krachten die afhankelijk zijn van afstand. Dit betekent dat de reden voor de onomkeerbaarheid van processen in de natuur is dat macroscopische lichamen een zeer groot aantal deeltjes bevatten.

De macroscopische toestand wordt gekenmerkt door verschillende thermodynamische parameters (druk, volume, temperatuur, enz.). De microscopische toestand wordt gekenmerkt door het instellen van de coördinaten en snelheden (momentums) van alle deeltjes waaruit het systeem bestaat. Eén macroscopische toestand kan worden gerealiseerd door een groot aantal microtoestanden.

Laten we aangeven: N is het totale aantal systeemtoestanden, N 1 is het aantal microtoestanden dat deze toestand realiseert, w is de waarschijnlijkheid van deze toestand.

Hoe groter N1, hoe groter de kans op een gegeven macrotoestand, d.w.z. hoe langer het systeem in deze toestand blijft. De evolutie van het systeem verloopt in de richting van toestanden met een lage waarschijnlijkheid naar meer waarschijnlijke toestanden. Omdat mechanische beweging is een geordende beweging, en thermische beweging is chaotisch, dan wordt mechanische energie omgezet in thermische energie. Bij warmtewisseling is een toestand waarin één lichaam een ​​hogere temperatuur heeft (de moleculen hebben een hogere gemiddelde kinetische energie) minder waarschijnlijk dan een toestand waarin de temperaturen gelijk zijn. Daarom vindt het proces van warmteoverdracht plaats in de richting van temperatuuregalisatie.

Entropie - maat voor wanorde. S - entropie.

waarbij k de constante van Boltzmann is. Deze vergelijking onthult de statistische betekenis van de wetten van de thermodynamica. De waarde van entropie in alle onomkeerbare processen neemt toe. Vanuit dit oogpunt is het leven een constante strijd om entropie te verminderen. Entropie is gerelateerd aan informatie, omdat: informatie leidt tot orde (je zult veel weten - je wordt snel oud).

De wetten van de thermodynamica worden ook wel haar principes genoemd. In feite is het begin van de thermodynamica niets meer dan een reeks bepaalde postulaten die ten grondslag liggen aan het overeenkomstige deel van de moleculaire fysica. Deze bepalingen zijn tot stand gekomen binnen wetenschappelijk onderzoek. Tegelijkertijd werden ze experimenteel bewezen. Waarom worden de wetten van de thermodynamica als postulaten genomen? Het punt is dat op deze manier thermodynamica axiomatisch kan worden gebouwd.

Basiswetten van de thermodynamica

Een beetje over structureren. De wetten van de thermodynamica zijn onderverdeeld in vier groepen, die elk een specifieke betekenis hebben. Dus wat kunnen de principes van de thermodynamica ons vertellen?

Eerste en tweede

De eerste wet zal vertellen hoe de wet van behoud van energie wordt toegepast in relatie tot een bepaald thermodynamisch systeem. De tweede wet stelt enkele beperkingen voor die van toepassing zijn op de richtingen van thermodynamische processen. Meer specifiek verbieden ze de spontane overdracht van warmte van een minder verwarmd naar een heter lichaam. De tweede wet van de thermodynamica heeft een alternatieve naam: de wet van toenemende entropie.

Derde en vierde

De derde wet beschrijft het gedrag van entropie nabij het absolute temperatuur nulpunt. Er is nog een begin, de laatste. Het wordt de "nulwet van de thermodynamica" genoemd. De betekenis ervan ligt in het feit dat elk gesloten systeem in een staat van thermodynamisch evenwicht zal komen en er niet op eigen kracht uit kan komen. Bovendien kan de begintoestand elke zijn.

Waarom zijn de principes van de thermodynamica belangrijk?

De wetten van de thermodynamica zijn bestudeerd om de macroscopische parameters van bepaalde systemen te beschrijven. Tegelijkertijd worden er geen specifieke voorstellen gedaan met betrekking tot het microscopische apparaat. Dit probleem wordt afzonderlijk bestudeerd, maar door een andere tak van wetenschap - statistische fysica. De wetten van de thermodynamica zijn onafhankelijk van elkaar. Wat betekent dit? Dit moet zo worden begrepen dat het onmogelijk is om de ene wet van de thermodynamica uit de andere af te leiden.

Eerste wet van de thermodynamica

Zoals u weet, wordt een thermodynamisch systeem gekenmerkt door verschillende parameters, waaronder interne energie (aangeduid met de letter U). Deze laatste wordt gevormd uit de kinetische energie die alle deeltjes hebben. Het kan de energie zijn van een translatie, maar ook van een oscillerende en roterende beweging. Laten we op dit punt niet vergeten dat energie niet alleen kinetisch kan zijn, maar ook potentieel. Dus in het geval van ideale gassen wordt potentiële energie verwaarloosd. Dat is de reden waarom de interne energie U uitsluitend zal bestaan ​​uit de kinetische energie van moleculaire beweging en zal afhangen van de temperatuur.

Deze waarde - de interne energie - wordt met andere woorden de toestandsfunctie genoemd, omdat deze wordt bepaald door de toestand van het thermodynamische systeem. In ons geval wordt dit bepaald door de temperatuur van het gas. Opgemerkt moet worden dat de interne energie niet afhankelijk is van wat de overgang naar de staat was. Laten we aannemen dat een thermodynamisch systeem een ​​circulair proces uitvoert (een cyclus, zoals dat in de moleculaire fysica wordt genoemd). Met andere woorden, het systeem, dat de oorspronkelijke toestand heeft verlaten, ondergaat bepaalde processen, maar keert daardoor terug naar de primaire toestand. Dan is het gemakkelijk te raden dat de verandering interne energie zal gelijk zijn aan 0.

Hoe verandert interne energie?

Verander interne energie Ideaal gas op twee manieren mogelijk. De eerste optie is om het werk te doen. De tweede is om het systeem te informeren over een of andere hoeveelheid warmte. Het is logisch dat de tweede methode niet alleen de overdracht van warmte impliceert, maar ook de verwijdering ervan.

Verklaring van de eerste wet van de thermodynamica

Er kunnen er meerdere zijn (formuleringen), omdat iedereen graag anders spreekt. Maar eigenlijk blijft de essentie hetzelfde. Het komt erop neer dat de hoeveelheid warmte die aan het thermodynamische systeem werd geleverd, wordt besteed aan het mechanische werk van het ideale gas en de verandering in interne energie. Als we het hebben over de formule of wiskundige notatie van de eerste wet van de thermodynamica, dan ziet het er zo uit: dQ = dU + dA.

Alle hoeveelheden die deel uitmaken van de formule kunnen hebben verschillende tekens. Niets weerhoudt hen ervan negatief te zijn. Laten we aannemen dat de hoeveelheid warmte Q aan het systeem wordt toegevoerd, dan zal het gas opwarmen. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt ook de interne energie van het gas toe. Dat wil zeggen, zowel Q als U hebben positieve waarden. Maar als de interne energie van het gas toeneemt, begint het zich actiever te gedragen, uit te zetten. Daarom zal het werk ook positief zijn. We kunnen zeggen dat het werk wordt gedaan door het systeem zelf, het gas.

Als een bepaalde hoeveelheid warmte aan het systeem wordt onttrokken, neemt de interne energie af en wordt het gas gecomprimeerd. In dit geval kunnen we al zeggen dat het werk aan het systeem wordt gedaan, en niet aan het systeem zelf. Neem opnieuw aan dat een thermodynamisch systeem een ​​cyclus doorloopt. In dit geval (zoals eerder vermeld) zal de verandering in interne energie gelijk zijn aan 0. Dit betekent dat de arbeid die door het gas of erop wordt verricht numeriek gelijk zal zijn aan de aan het systeem toegevoerde of afgevoerde warmte.

Het wiskundige verslag van deze consequentie wordt een andere formulering van de eerste wet van de thermodynamica genoemd. Ongeveer klinkt het als volgt: "In de natuur is het bestaan ​​​​van een motor van de eerste soort onmogelijk, dat wil zeggen een motor die werk zou uitvoeren dat de warmte die van buitenaf wordt ontvangen overtreft."

Tweede wet van de thermodynamica

Het is gemakkelijk te raden dat thermodynamisch evenwicht kenmerkend is voor een systeem waarin macroscopische grootheden in de tijd onveranderd blijven. Dit is natuurlijk de druk, het volume en de temperatuur van het gas. Hun onveranderlijkheid kan op verschillende voorwaarden worden gebouwd: de afwezigheid van thermische geleidbaarheid, chemische reacties, diffusie en andere processen. Als het systeem onder invloed van externe factoren uit het thermodynamisch evenwicht is gehaald, zal het er na verloop van tijd naar terugkeren. Maar als deze factoren ontbreken. En het zal spontaan gebeuren.

We zullen een iets andere route volgen dan wat veel schoolboeken aanbevelen. Laten we om te beginnen kennis maken met de tweede wet van de thermodynamica, en pas dan zullen we uitzoeken welke hoeveelheden erin zijn opgenomen en wat ze betekenen. Dus in een gesloten systeem, in aanwezigheid van processen die erin plaatsvinden, neemt de entropie niet af. De tweede wet van de thermodynamica wordt als volgt geschreven: dS >(=) 0. Hier wordt het >-teken geassocieerd met een onomkeerbaar proces, en het =-teken met een omkeerbaar proces.

Wat is een omkeerbaar proces in de thermodynamica? En dit is een proces waarbij het systeem (na een reeks van enkele processen) terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat. Bovendien blijven er in dit geval geen veranderingen in het systeem of in de omgeving. Met andere woorden, een omkeerbaar proces is een proces waarvoor het mogelijk is om terug te keren naar de begintoestand via tussentoestanden die identiek zijn aan het directe proces. Er zijn zeer weinig van dergelijke processen in de moleculaire fysica. De overdracht van de hoeveelheid warmte van een meer verwarmd lichaam naar een minder verwarmd lichaam zal bijvoorbeeld onomkeerbaar zijn. Evenzo in het geval van diffusie van twee stoffen, evenals de verspreiding van gas over het gehele volume.

Entropie

Entropie, die plaatsvindt in de tweede wet van de thermodynamica, is gelijk aan de verandering in de hoeveelheid warmte gedeeld door de temperatuur. Formule: dS = dQ/T. Het heeft bepaalde eigenschappen.

Basisbepalingen van de tweede wet van de thermodynamica

De eerste wet van de thermodynamica, die een speciaal geval is van de algemene wet van behoud en transformatie van energie, stelt dat warmte kan worden omgezet in arbeid en arbeid in warmte, zonder de voorwaarden vast te stellen waaronder deze transformaties mogelijk zijn.

Hij houdt helemaal geen rekening met de kwestie van de richting van het thermische proces, en zonder deze richting te kennen, is het onmogelijk om de aard en resultaten ervan te voorspellen.

De eerste wet lost bijvoorbeeld niet de vraag op of de overdracht van warmte van een verwarmd lichaam naar een koud lichaam zal plaatsvinden of omgekeerd. Dagelijkse waarnemingen en experimenten tonen aan dat warmte alleen kan worden overgedragen van verwarmde lichamen naar koudere. De overdracht van warmte van een verwarmd lichaam naar het medium zal plaatsvinden totdat een volledig temperatuurevenwicht met de omgeving is bereikt. Alleen door inspanning kan de richting van de warmtebeweging worden veranderd.

Deze eigenschap van warmte onderscheidt het scherp van werk.

Werk wordt, net als alle andere soorten energie die bij elk proces betrokken zijn, gemakkelijk en volledig omgezet in warmte. De volledige omzetting van werk in warmte was de mens in de oudheid bekend, toen hij vuur maakte door twee stukken hout te wrijven. De processen van het omzetten van arbeid in warmte vinden continu plaats in de natuur: wrijving, stoten, remmen, etc.

Warmte gedraagt ​​zich heel anders, bijvoorbeeld in verbrandingsmotoren. De omzetting van warmte in arbeid vindt alleen plaats als er een temperatuurverschil is tussen de warmtebron en het koellichaam. Alle warmte kan echter niet worden omgezet in arbeid.

Uit het voorgaande volgt dat er een groot verschil is tussen het omzetten van warmte in arbeid en omgekeerd. De wet waarmee u de richting van de warmtestroom kunt specificeren en het maximum vaststelt mogelijke limiet warmte omzetten in werk in warmtemotoren is nieuwe wet, uit ervaring opgedaan. Dit is de tweede wet van de thermodynamica, die heeft: algemene betekenis voor alle thermische processen. De tweede wet van de thermodynamica is niet beperkt tot technologie; Het wordt gebruikt in de natuurkunde, scheikunde, biologie, astronomie, enz.

In 1824 schetste Sadi Carnot, een Franse ingenieur en wetenschapper, in zijn bespreking van de drijvende kracht van vuur, de essentie van de tweede wet.

In de jaren 50 van de vorige eeuw gaf Clausius de meest algemene en moderne formulering van de tweede wet van de thermodynamica in de vorm van het volgende postulaat: Warmte kan niet vanzelf overgaan van een koud lichaam naar een heter lichaam door een gratis proces (zonder compensatie)". Clausius' postulaat moet worden beschouwd als een experimentele wet die is afgeleid van waarnemingen van omringende natuur. Clausius' conclusie werd getrokken met betrekking tot het gebied van technologie, maar het bleek dat de tweede wet met betrekking tot fysieke en chemische verschijnselen klopt ook. Het postulaat van Clausius drukt, net als alle andere formuleringen van de tweede wet, een van de fundamentele, maar niet absolute, natuurwetten uit, omdat het werd geformuleerd in relatie tot objecten met eindige afmetingen in de aardse omstandigheden om ons heen.

Gelijktijdig met Clausius in 1851 kwam Thomson met een andere formulering van de tweede wet van de thermodynamica, waaruit volgt dat niet alle warmte die van de warmtebron wordt ontvangen in het werk kan gaan, maar slechts een deel ervan.

Een deel van de warmte moet naar het koellichaam gaan.

Om werk te verkrijgen, is het daarom noodzakelijk om een ​​warmtebron te hebben met hoge temperatuur, of koellichaam, en een lage temperatuur warmtebron, of warmte ontvanger. Bovendien laat Thomsons postulaat zien dat het niet mogelijk is om een ​​perpetuum mobile te bouwen die werk zou creëren door alleen de interne energie van de zeeën, oceanen en lucht te gebruiken. Dit standpunt kan worden geformuleerd als de tweede wet van de thermodynamica: "Implementatie van een perpetuum mobile van de tweede soort is onmogelijk." Met een perpetuum mobile van de tweede soort wordt een motor bedoeld die in staat is om alle warmte die van slechts één bron wordt ontvangen volledig in arbeid om te zetten.

Naast het bovenstaande zijn er nog een aantal formuleringen van de tweede wet van de thermodynamica, die in wezen niets nieuws introduceren en daarom niet worden gegeven.

Entropie.

De tweede wet van de thermodynamica is, net als de eerste wet (de wet van behoud van energie), empirisch vastgesteld. Het werd voor het eerst geformuleerd door Clausius: "warmte zelf gaat alleen van een lichaam met een hogere temperatuur naar een lichaam met een lagere temperatuur en kan niet spontaan in de tegenovergestelde richting bewegen."

Een andere bewoording: alles spontane processen in de natuur gaan met toenemende entropie. (Entropie- een maat voor willekeur, wanorde van het systeem). Beschouw een systeem van twee contactlichamen met verschillende temperaturen. Warmte zal van een lichaam met een hogere temperatuur naar een lichaam met een lagere temperatuur gaan totdat de temperaturen van beide lichamen gelijk zijn. In dit geval wordt een bepaald bedrag van het ene lichaam naar het andere overgemaakt warmte dQ. Maar entropie tegelijkertijd zal het eerste lichaam met een kleinere hoeveelheid afnemen dan het zal toenemen voor het tweede lichaam, wat duurt warmte, aangezien, per definitie, dS=dQ/T (temperatuur in de noemer!). Dat wil zeggen, als gevolg hiervan spontane proces entropie systeem van twee lichamen wordt groter dan de som entropie deze instanties voor aanvang van het proces. Met andere woorden, spontaan proces overdracht van warmte van een lichaam met een hoge temperatuur naar een lichaam met een lagere temperatuur entropie systeem van deze twee lichamen is toegenomen!

De belangrijkste eigenschappen van de entropie van gesloten systemen:

a) De entropie van een gesloten systeem dat een omkeerbare Carnot-cyclus uitvoert, verandert niet:

ΔS arr =0, S=const.

b) De entropie van een gesloten systeem dat een onomkeerbare Carnot-cyclus uitvoert, neemt toe:

∆S unmod >0.

c) De entropie van een gesloten systeem neemt niet af voor de daarin optredende processen: ΔS≥0.

Bij een elementaire verandering in de toestand van een gesloten systeem neemt de entropie niet af: dS≥0. Het gelijkteken verwijst naar omkeerbare processen en het ongelijkheidsteken naar onomkeerbare. Punt c) is een van de formuleringen van de tweede wet (begin) van de thermodynamica. Voor een willekeurig proces dat plaatsvindt in een thermodynamisch systeem, is de relatie waar:

waarbij T de temperatuur is van het lichaam dat rapporteert. Thermodynamische systeemenergie δQ in het proces van een oneindig kleine verandering in de toestand van het systeem. Met behulp van de eerste wet van de thermodynamica voor δQ kan de vorige ongelijkheid worden herschreven in een vorm die de eerste en tweede wet van de thermodynamica combineert: TdS ≥ dU+δA.

Entropie eigenschappen.

1. Entropie is dus een toestandsfunctie. Als het proces langs de adiabats wordt uitgevoerd, verandert de entropie van het systeem niet. Dus adiabats zijn ook isentropen. Elke "hoger" gelegen adiabat (isoentrope) komt overeen met grotere waarde entropie. Dit is eenvoudig te verifiëren door een isotherm proces uit te voeren tussen de punten 1 en 2 die op verschillende adiabats liggen (*zie Fig.). In dit proces is T=const, dus S2-S1=Q/T. Voor een ideaal gas is Q gelijk aan de arbeid A die door het systeem wordt uitgevoerd. En aangezien A>0, betekent dit S 2 >S 1. Dus weten hoe het adiabatische systeem eruit ziet. Het is gemakkelijk om de vraag te beantwoorden over de toename van entropie tijdens elk proces tussen evenwichtstoestanden 1 en 2. Entropie is een additieve grootheid: de entropie van een macrosysteem is gelijk aan de som van de entropieën van zijn afzonderlijke delen.

3. Een van de belangrijkste eigenschappen entropie ligt in het feit dat de entropie van een gesloten (d.w.z. thermisch geïsoleerd) macrosysteem niet afneemt - het neemt toe of blijft constant. Als het systeem niet gesloten is, kan de entropie zowel toenemen als afnemen.

Het principe van toenemende entropie van gesloten systemen is een andere formulering van de tweede wet van de thermodynamica. De grootte van de toename van entropie in een gesloten macrosysteem kan dienen als een maat voor de onomkeerbaarheid van de processen die in het systeem plaatsvinden. In het limietgeval, wanneer de processen omkeerbaar zijn, verandert de entropie van een gesloten macrosysteem niet.

fysieke betekenis heeft het verschil ΔS van entropie in twee toestanden van het systeem. Om de verandering in entropie te bepalen in het geval van een onomkeerbare overgang van het systeem van de ene toestand naar de andere, moet je een soort omkeerbaar proces bedenken dat de begin- en eindtoestand verbindt, en de verminderde warmte vinden die door het systeem wordt ontvangen tijdens zo'n overgang.

Rijst. 3.12.4 - Onomkeerbaar proces van gasexpansie "in de leegte" bij afwezigheid van warmte-uitwisseling

Alleen de begin- en eindtoestand van het gas in dit proces zijn in evenwicht, en ze kunnen worden weergegeven op het diagram (p, V). Punten (a) en (b) die overeenkomen met deze toestanden liggen op dezelfde isotherm. Om de entropieverandering ΔS te berekenen, kan men een omkeerbare isotherme overgang van (a) naar (b) overwegen. Aangezien het gas tijdens isotherme expansie een bepaalde hoeveelheid warmte ontvangt van de omringende lichamen Q > 0, kunnen we concluderen dat de entropie toenam tijdens de onomkeerbare expansie van het gas: ΔS > 0.

Een ander voorbeeld van een onomkeerbaar proces is warmteoverdracht bij een eindig temperatuurverschil. Op afb. 3.12.5 toont twee lichamen ingesloten in een adiabatische schaal. Initiële lichaamstemperatuur T 1 en T 2< T 1 . При теплообмене температуры тел постепенно выравниваются. Более теплое тело отдает некоторое количество теплоты, а более холодное – получает. Приведенное тепло, получаемое холодным телом, превосходит по модулю приведенное тепло, отдаваемое горячим телом. Отсюда следует, что изменение энтропии замкнутой системы в необратимом процессе теплообмена ΔS > 0.

Entropiegroei is gemeenschappelijk bezit alle spontane onomkeerbare processen in geïsoleerde thermodynamische systemen. Bij omkeerbare processen in geïsoleerde systemen verandert de entropie niet: ΔS≥0. Deze relatie wordt de wet van toenemende entropie genoemd. Bij elk proces dat plaatsvindt in thermodynamische geïsoleerde systemen, blijft de entropie ongewijzigd of neemt toe.

Entropie geeft dus de richting van spontane processen aan. Een toename in entropie geeft aan dat het systeem een ​​toestand van thermodynamisch evenwicht nadert. In de evenwichtstoestand neemt entropie een maximale waarde aan. De wet van toenemende entropie kan worden opgevat als een andere formulering van de tweede wet van de thermodynamica.

In 1878 gaf L. Boltzmann een probabilistische interpretatie van het begrip entropie. Hij stelde voor om entropie te beschouwen als een maat voor statistische wanorde in een gesloten thermodynamisch systeem. Alle spontane processen in een gesloten systeem, die het systeem dichter bij de evenwichtstoestand brengen en gepaard gaan met een toename van de entropie, zijn gericht op het vergroten van de waarschijnlijkheid van de toestand.

Elke toestand van een macroscopisch systeem met groot aantal deeltjes, kan op vele manieren worden geïmplementeerd. De thermodynamische kans W van een toestand van een systeem is het aantal manieren waarop een bepaalde toestand van een macroscopisch systeem kan worden gerealiseerd, of het aantal microtoestanden dat een gegeven macrotoestand realiseert. Per definitie is de thermodynamische kans W >> 1.

Als er bijvoorbeeld 1 mol gas in een vat zit, dan is het mogelijk enorm aantal N manieren om een ​​molecuul in twee helften van een vat te plaatsen: waar is het getal van Avogadro. Elk van hen is een microstaat.

Slechts één van de microtoestanden komt overeen met het geval waarin alle moleculen in de ene helft (bijvoorbeeld de rechter) van het vat worden verzameld. De kans op een dergelijke gebeurtenis is praktisch nul. Het grootste aantal microtoestanden komt overeen met de evenwichtstoestand, waarin de moleculen gelijkmatig over het volume zijn verdeeld. Daarom is de evenwichtstoestand het meest waarschijnlijk. Aan de andere kant is de evenwichtstoestand de toestand van de grootste wanorde in het thermodynamische systeem en de toestand met maximale entropie.

Volgens Boltzmann zijn de entropie S van het systeem en de thermodynamische kans W als volgt gerelateerd: S=klnW, waarbij k = 1,38·10 –23 J/K de constante van Boltzmann is. Entropie wordt dus bepaald door de logaritme van het aantal microtoestanden waarmee een gegeven macrotoestand kan worden gerealiseerd. Daarom kan entropie worden beschouwd als een maat voor de waarschijnlijkheid van de toestand van een thermodynamisch systeem. De probabilistische interpretatie van de tweede wet van de thermodynamica maakt een spontane afwijking van het systeem van de toestand van thermodynamisch evenwicht mogelijk. Dergelijke afwijkingen worden fluctuaties genoemd. In systemen met een groot aantal deeltjes zijn significante afwijkingen van de evenwichtstoestand uiterst onwaarschijnlijk.

Circulaire thermodynamische processen of cycli

In de thermodynamische processen die eerder zijn overwogen, om de problemen van het verkrijgen van werk te bestuderen, hetzij als gevolg van de toegevoerde warmte, of als gevolg van een verandering in de interne energie van de werkvloeistof, of tegelijkertijd als gevolg van beide. Met een enkele expansie van het gas in de cilinder kan slechts een beperkte hoeveelheid werk worden verkregen. Inderdaad, bij elk proces van reniumgas in de cilinder zal er nog steeds een moment komen waarop de temperatuur en druk van de werkvloeistof gelijk worden aan de temperatuur en druk van de omgeving, en het werk zal daar stoppen.

Om opnieuw werk te verkrijgen, is het daarom noodzakelijk om het werklichaam tijdens het compressieproces in zijn oorspronkelijke staat terug te brengen.

Uit figuur 8 volgt dat als de werkvloeistof uitzet langs de 1-3-2-curve, het de arbeid produceert die wordt weergegeven in het pv-diagram pl. 13245. Bij het bereiken van punt 2 moet de werkvloeistof worden teruggebracht naar de oorspronkelijke staat (bij punt 1) zodat deze weer werk kan verrichten. Het proces om het lichaam terug te brengen naar zijn oorspronkelijke staat kan op drie manieren worden uitgevoerd.

Figuur 8 - Circulaire processen.

1. De 2-3-1 compressiecurve is hetzelfde als de 1-3-2 expansiecurve. In een dergelijk proces is al het werk dat wordt verkregen tijdens de expansie (pl. 13245) gelijk aan het werk van compressie (pl. 23154) en is het positieve werk gelijk aan nul. De 2-6-1 compressiecurve ligt boven de 1-3-2 expansielijn; .tegelijkertijd wordt er meer werk besteed aan compressie (plot 51624) dan er zal worden ontvangen tijdens expansie (plot 51324).

De compressiecurve-2-7-1 bevindt zich onder de expansielijn 1-3-2. In dit circulaire proces zal het werk van expansie (vierkant 51324) groter zijn dan het werk van compressie (vierkant 51724). Als gevolg hiervan zal positief werk naar buiten worden gegeven, weergegeven door vierkant. 13271 binnen een gesloten lijn van een circulair proces of cyclus.

Door de cyclus een onbeperkt aantal keren te herhalen, kan door de invoerwarmte elke hoeveelheid werk worden verkregen.

De cyclus die positief werk produceert, wordt genoemd directe cyclus of warmtemotorcyclus; daarin is het werk van expansie groter dan het werk van compressie. De cyclus die werk kost, heet achteruit, daarin is het werk van compressie groter dan het werk van expansie. Koelunits werken in omgekeerde cycli.

Cycli zijn omkeerbaar en onomkeerbaar. Een cyclus die bestaat uit omkeerbare evenwichtsprocessen heet omkeerbaar. De werkvloeistof in een dergelijke cyclus mag niet worden onderworpen aan chemische veranderingen.

Als ten minste één van de processen in de cyclus onomkeerbaar is, wordt de hele cyclus onomkeerbaar.

De resultaten van studies van ideale cycli kunnen worden overgedragen naar echte, onomkeerbare processen van echte machines door experimentele correctiefactoren te introduceren.

Thermische efficiëntie en prestatiecoëfficiënt van cycli

De studie van elke omkeerbare cyclus bewijst dat het voor de implementatie op elk punt van het directe proces nodig is om warmte van de warmteafgevers naar de werkvloeistof toe te voeren bij een oneindig klein temperatuurverschil en warmte van de werkvloeistof naar de koellichamen te verwijderen bij een oneindig klein temperatuurverschil. In dit geval moet de temperatuur van twee aangrenzende warmtebronnen met een oneindig kleine waarde verschillen, omdat anders, met een eindig temperatuurverschil, de processen van warmteoverdracht onomkeerbaar zijn:

Op pad 1-3-2 (Figuur 8) voert de werkvloeistof specifiek uitzettingswerk uit, numeriek gelijk aan vierkant. 513245, vanwege de specifieke hoeveelheid warmte die wordt ontvangen van de warmteafgevers, en gedeeltelijk vanwege de interne energie. Op pad 2-7-1 wordt specifiek compressiewerk verricht, numeriek gelijk aan kwadraat. 427154, waarvan een deel in de vorm van een bepaalde hoeveelheid warmte wordt afgevoerd naar de koellichamen, en het andere deel wordt besteed aan het verhogen van de interne energie van de werkvloeistof naar de begintoestand. Als resultaat van de implementatie van de directe cyclus, zal naar buiten toe positief specifiek werk worden gegeven, gelijk aan het verschil tussen het werk van expansie en contractie. Dit werk .

De verhouding tussen bepaalde hoeveelheden warmte en positieve specifieke arbeid wordt bepaald door de eerste wet van de thermodynamica.

Omdat in de cyclus de eindtoestand van het lichaam samenvalt met de begintoestand, verandert de interne energie van het werkende lichaam niet en daarom

De verhouding van de specifieke hoeveelheid warmte omgezet in positieve specifieke arbeid in één cyclus tot de gehele specifieke hoeveelheid warmte die aan de werkvloeistof wordt geleverd, wordt t genoemd. thermische coëfficiënt nuttige actie direct

fiets:

De waarde is een indicator van de perfectie van de cyclus warmte motor. Hoe meer, hoe groter deel van de toegevoerde warmte wordt omgezet in nuttig werk. Thermische efficiëntiewaarde: cyclus is altijd kleiner dan één en kan gelijk zijn aan één als of , wat niet kan.

De resulterende vergelijking (62) laat zien dat het onmogelijk is om alle aan de werkvloeistof in de cyclus toegevoerde warmte volledig in arbeid om te zetten zonder een bepaalde hoeveelheid warmte naar het koellichaam te verwijderen.

Zo bleek de hoofdgedachte van Carnot juist te zijn, namelijk: in een gesloten circulair proces kan warmte alleen in mechanisch werk veranderen als er een temperatuurverschil is tussen warmtestralers en koellichamen. Hoe groter dit verschil, hoe hoger het rendement. cyclus van de warmtemotor.

Beschouw nu de omgekeerde cyclus, die tegen de klok in loopt en is afgebeeld op het pv-diagram pl. 13261. De expansie van de werkvloeistof in deze cyclus vindt plaats bij een lagere temperatuur dan de compressie, en de expansie (pl. 132451) is minder dan de compressie (pl. 162451). Een dergelijke cyclus kan alleen worden uitgevoerd met de uitgaven van extern werk.

In de omgekeerde cyclus wordt warmte van de koellichamen naar de werkvloeistof gevoerd en wordt er specifiek werk verricht, wat verandert in een gelijke hoeveelheid warmte, die samen naar de koellichamen wordt overgebracht:

Zonder de uitgaven van het werk op zich is zo'n overgang onmogelijk.

De mate van perfectie van de omgekeerde cyclus wordt bepaald door de zogenaamde cyclusfactor.

De prestatiecoëfficiënt geeft aan hoeveel warmte wordt afgenomen van het koellichaam ten koste van één werkeenheid. De waarde is meestal groter dan één.

Carnot cycli.

Directe omkeerbare Carnot-cyclus

Een omkeerbare cyclus tussen twee warmtebronnen met constante temperatuur moet bestaan ​​uit twee omkeerbare isotherme en twee omkeerbare adiabatische processen.

Deze cyclus werd voor het eerst overwogen door Sadi Carnot in zijn werk "Reflections on the driving force of fire and on machines can making this force", gepubliceerd in 1824. Voor een beter begrip van de procedure voor het implementeren van deze cyclus, stel je een warmtemotor voor, waarvan de cilinder naar behoefte zowel absoluut thermisch geleidend als absoluut niet-thermisch geleidend kan zijn. Laat in de eerste positie van de zuiger de initiële parameters van de werkvloeistof en de temperatuur gelijk zijn aan de temperatuur van de warmteoverdrachtsinrichting. Als de cilinder op dit moment absoluut thermisch geleidend is en als hij in contact wordt gebracht met een koellichaam met een oneindig grote energiecapaciteit, die warmte aan de werkvloeistof geeft volgens de 1-2-isotherm, dan zal het gas expanderen naar punt 2 en werken. Punt 2 parameters: Vanaf punt 2 moet de cilinder absoluut niet-thermisch zijn. De werkvloeistof met temperatuur T 1 , die zich langs de adiabatische 2-3 uitzet tot de temperatuur van het koellichaam T 2 , zal het werk doen. Punt 3 parameters: . Vanaf punt 3 maken we de cilinder absoluut warmtegeleidend. Door de werkvloeistof langs de 3-4 isotherm te comprimeren, verwijderen we tegelijkertijd de warmte naar het koellichaam. Aan het einde van isotherme compressie zullen de parameters van de werkvloeistof . Vanaf punt 4 in een absoluut niet-thermisch geleidende cilinder keert de werkvloeistof terug naar zijn oorspronkelijke staat door het adiabatische compressieproces 4-1.

Zo werd gedurende de gehele cyclus warmte aan de werkvloeistof toegevoerd vanuit het koellichaam en werd warmte afgevoerd naar het koellichaam.

thermische efficiëntie: fiets

De door de isotherm 1-2 geleverde warmte wordt als volgt bepaald:

De absolute waarde van de afgevoerde warmte volgens de isotherm 3-4 wordt als volgt gevonden:

Door de gevonden waarden te vervangen en in de vergelijking voor thermische efficiëntie, verkrijgen we:

Voor het adiabatische proces van respectievelijk uitzetting en samentrekking hebben we:

en

Daarom is de thermische efficiëntievergelijking Carnot-cyclus na annulering heeft de vorm

thermische efficiëntie: omkeerbare Carnot-cyclus hangt alleen af ​​van de absolute temperaturen van het koellichaam en het koellichaam. Het zal groter zijn, hoe hoger de temperatuur van het koellichaam en hoe lager de temperatuur van het koellichaam. thermische efficiëntie: de Carnot-cyclus is altijd kleiner dan één, omdat om een ​​efficiëntie gelijk aan één te verkrijgen, het noodzakelijk is dat T 2 = 0 of T 1 = ∞, wat niet haalbaar is. thermische efficiëntie: de Carnot-cyclus is niet afhankelijk van de aard van de werkvloeistof en bij T 2 - T 1 is gelijk aan nul, dat wil zeggen, als de lichamen in thermisch evenwicht zijn, is het onmogelijk om warmte in arbeid om te zetten.

thermische efficiëntie: de Carnot-cyclus is de belangrijkste
vergeleken met efficiëntie elke cyclus uitgevoerd in één en
hetzelfde temperatuurbereik. daarom de vergelijking
thermische efficiëntie: elke cyclus en Carnot-cyclus stelt u in staat om te doen
een conclusie over de mate van perfectie van het gebruik van warmte in een machine die werkt volgens een bepaalde cyclus.

In echte motoren komt de Carnot-cyclus niet voor vanwege praktische
moeilijkheden. De theoretische en praktische betekenis van de Carnot-cyclus is echter zeer groot. Het dient als een maatstaf bij het evalueren van de uitmuntendheid van alle cycli van warmtemotoren. .

De omkeerbare Carnot-cyclus, uitgevoerd in het temperatuurbereik T 1 en T 2 , wordt op het Ts-diagram weergegeven door een rechthoek 1234 (Figuur 9).

Figuur 9 - Omkeerbare Carnot-cyclus.

Omgekeerde omkeerbare Carnot-cyclus

De Carnot-cyclus kan niet alleen in voorwaartse maar ook in tegengestelde richting verlopen. Figuur 10 toont de inverse Carnot-cyclus. De cyclus bestaat uit omkeerbare processen en is over het algemeen omkeerbaar.

Figuur 10 - Omgekeerde Carnot-cyclus.

Het werkfluïdum vanaf het startpunt 1 expandeert langs de adiabatische 1-4 zonder warmte-uitwisseling met de omgeving, terwijl de temperatuur T1 wordt afgegeven aan T2. Daarna volgt verdere expansie van het gas langs de isotherm 4-3 met de toevoer van warmte, die met een lage temperatuur T2 uit de bron wordt gehaald. Dit wordt gevolgd door adiabatische compressie 3-2 met toenemende temperatuur van T2 naar T1. Tijdens dit laatste proces vindt 2-1 isotherme compressie plaats, waarbij warmte op hoge temperatuur naar het koellichaam wordt afgevoerd.

Als we de omgekeerde cyclus als geheel beschouwen, kan worden opgemerkt dat de uitgegeven buiten werk compressie is groter dan het werk van expansie met de waarde van het kwadraat. 14321 binnen een gesloten fietslijn. Deze arbeid wordt omgezet in warmte en samen met warmte overgedragen aan een bron met temperatuur T 1 . Dus, na specifiek werk te hebben besteed aan de implementatie van de omgekeerde cyclus, is het mogelijk om van het koellichaam naar het koellichaam over te gaan

eenheden van warmte. In dit geval is de warmte die door het koellichaam wordt ontvangen gelijk aan

Een machine die op een omgekeerde cyclus werkt, wordt een koelmachine genoemd. Gezien de inverse Carnot-cyclus kunnen we concluderen dat de overdracht van warmte van een bron met een lage temperatuur naar een bron met een hoge temperatuur, zoals volgt uit het postulaat van Clausius, noodzakelijkerwijs energie vereist (het kan niet worden uitgevoerd door een vrij proces zonder een vergoeding).

efficiëntie kenmerk: koelmachines is de prestatiecoëfficiënt

voor de omgekeerde Carnot-cyclus

(64)

De prestatiecoëfficiënt van de omgekeerde Carnot-cyclus is afhankelijk van absolute temperaturen en warmtebronnen en heeft de hoogste waarde in vergelijking met de prestatiecoëfficiënt van andere cycli die plaatsvinden binnen hetzelfde temperatuurbereik

Na de directe en omgekeerde Carnot-cycli te hebben bekeken, is het mogelijk om de formulering van de tweede wet van de thermodynamica die door Clausius is gegeven, in enig detail uit te leggen.

Clausius toonde aan dat alle natuurlijke processen die in de natuur voorkomen, spontane processen zijn (ze worden soms positieve (of niet-gecompenseerde) processen genoemd) en kunnen niet "uit zichzelf" zonder compensatie voor de stroming in de tegenovergestelde richting.

Spontane processen omvatten: de overdracht van warmte van een meer verwarmd lichaam naar een minder verwarmd lichaam; het omzetten van arbeid in warmte; onderlinge diffusie van vloeistoffen of gassen; expansie van gas in een leegte, enz.

Niet-spontane processen omvatten processen die tegengesteld zijn aan de bovengenoemde spontane processen: de overdracht van warmte van een minder verwarmd lichaam naar een meer verwarmd lichaam; warmte omzetten in werk; verdeling in samenstellende delen van stoffen die in elkaar diffunderen, enz. Processen zijn niet spontaan, maar ze gaan nooit "uit zichzelf" zonder compensatie.

Welke processen moeten niet-spontane processen begeleiden om ze mogelijk te maken? Een zorgvuldige en uitgebreide studie van de fysieke verschijnselen die ons omringen heeft aangetoond dat niet-spontane processen alleen mogelijk zijn als ze gepaard gaan met spontane processen. Bijgevolg kan een spontaan proces "uit zichzelf" plaatsvinden, niet spontaan - alleen samen met een spontaan proces. Daarom wordt bijvoorbeeld in elk direct circulair proces het niet-spontane proces van het omzetten van warmte in werk gecompenseerd door het gelijktijdige spontane proces van het overbrengen van een deel van de toegevoerde warmte van het koellichaam naar het koellichaam. .

Bij het implementeren van de omgekeerde cyclus is een niet-spontaan proces van warmteoverdracht van een minder verwarmd lichaam naar een meer verwarmd lichaam ook mogelijk, maar hier wordt dit gecompenseerd door een spontaan proces van het omzetten van het werk van buitenaf in warmte.

Elk niet-spontaan proces kan dus alleen plaatsvinden als het gepaard gaat met een compenserend spontaan proces.

Stelling van Carnot

Bij het afleiden van thermische efficiëntie. omkeerbare Carnot-cyclus werden relaties gebruikt die alleen geldig zijn voor een ideaal gas. Daarom, om alles wat gezegd is over de Carnot-cyclus uit te breiden tot echte gassen en dampen, is het noodzakelijk om te bewijzen dat de thermische efficiëntie. Carnotcyclus is niet afhankelijk van de eigenschappen van de stof waarmee de cyclus wordt uitgevoerd. Dit is de inhoud van de stelling van Carnot.

Warmte. Werk besteed

Hetzelfde resultaat wordt verkregen als we aannemen dat . Dus er is er nog eentje over mogelijke variant, wanneer , en dit betekent dat en , d.w.z. echt thermisch rendement. omkeerbare Carnot-cyclus is niet afhankelijk van de eigenschappen van de werkvloeistof en is alleen een functie van de temperaturen van het koellichaam en het koellichaam.

College nr. 6. Onderwerp en taken van de theorie van warmteoverdracht

Volgens de tweede wet van de thermodynamica vindt het spontane proces van warmteoverdracht in de ruimte plaats onder invloed van een temperatuurverschil en is het gericht op het verlagen van de temperatuur. De wetten van warmteoverdracht en de kwantitatieve kenmerken van dit proces zijn het onderwerp en de taak van het bestuderen van de theorie warmtewisseling (warmteoverdracht).

De doctrine van warmteoverdracht is de studie van warmteoverdrachtsprocessen. Hun onderscheidende kenmerk is hun veelzijdigheid, aangezien ze van groot belang zijn in bijna alle takken van technologie.

Thermische energie wordt, net als elke andere energie, overgedragen in de richting van het hoogste potentieel naar het laagste. Omdat het potentieel van thermische energie is de temperatuur, dan hangt het proces van warmtevoortplanting nauw samen met de temperatuurverdeling, d.w.z. met het zogenaamde temperatuurveld. temperatuurveld is de set van temperatuurwaarden in ruimte en tijd. Over het algemeen is de temperatuur t op elk punt in de ruimte is een functie van de coördinaten x, y, z en tijd τ en daarom zal de temperatuurveldvergelijking zijn

t = f(x, y, z,). (65)

Een veld waarin de temperatuur met de tijd verandert, wordt tijdelijk genoemd, of niet-stationair. Als de temperatuur niet met de tijd verandert, wordt het veld stationaire toestand genoemd, of stationair, en de vergelijking zal zijn

t = f(x, y, z).(66)

Het eenvoudigste geval van een temperatuurveld is een stationair eendimensionaal veld waarvan de vergelijking de vorm heeft

t = f(x). (67)

De warmteoverdracht die plaatsvindt in een niet-stationair temperatuurveld heet warmteoverdracht in niet-stationaire modus, en in een stationair veld warmteoverdracht in stabiele toestand.

Het warmtewisselingsproces moeilijk proces, bestaande uit drie elementaire soorten warmteoverdracht - thermische geleidbaarheid, convectie en thermische straling (straling) (Figuur 12).

een - warmtegeleiding; b - convectie; a - straling

Afbeelding 12 - Soorten warmteoverdracht

Ministerie van Onderwijs en Wetenschappen van de Russische Federatie

Rijksonderwijsinstelling voor hoger beroepsonderwijs

Ivanovo Staatsuniversiteit voor Chemische Technologie

Afdeling Technologie etenswaren en biotechnologie (TPPiBT)

abstract

in de discipline "Technische thermodynamica en warmtetechniek"

II de wet van de thermodynamica of "Heat Death of the Universe"

Voltooid:

3e jaars student

Ivlev Pavel Andreevich

Leidinggevende:

PhD, Universitair Hoofddocent, Afdeling PiAHT

Markichev Nikolai Arkadievich

Ivanovo 2010

Inleiding_________________________________________________________ 3

Deel 1. De tweede wet van de thermodynamica.

1.1. De tweede wet van de thermodynamica. Kenmerken en bewoordingen.____________4

Deel 2. Entropie

2.1. Het concept van entropie._______________________________________________________________________5

2.2. Entropie toename wet. Afleiding van de wet van toenemende entropie.______________5

2.3 Mogelijkheid van entropie in het heelal.______________________________________6

Deel 3. De theorie van "hittedood" van het heelal

3.1. De opkomst van het idee van de theorie van "thermische dood" van het heelal._________________________________________8

3.2. Een blik op de theorie van "hittedood" van het heelal uit de 20e eeuw.__________________9

3.3 "Voor" en "tegen" de theorie van de "hittedood" van het heelal __________________________________10

Conclusie__________________________________________________________________________16

Lijst van literatuur gebruikt in het werk __________________________________17

Invoering:

In dit werk wordt het probleem van de toekomst van ons heelal aan de orde gesteld. Over de toekomst is erg ver weg, zo erg zelfs dat het niet bekend is of het überhaupt zal komen. Het leven en de ontwikkeling van de wetenschap veranderen aanzienlijk onze ideeën over het heelal, en over zijn evolutie, en over de wetten die deze evolutie beheersen. In feite werd het bestaan ​​van zwarte gaten al in de 18e eeuw voorspeld. Maar pas in de tweede helft van de 20e eeuw begonnen ze te worden beschouwd als zwaartekrachtgraven van massieve sterren en als plaatsen waar een aanzienlijk deel van de materie die toegankelijk is voor observaties voor altijd kan "vallen", waardoor de algemene circulatie wordt verlaten. En later werd bekend dat zwarte gaten verdampen en dus geabsorbeerd terugkeren, zij het in een heel andere gedaante. Nieuwe ideeën worden voortdurend uitgedrukt door kosmische fysici. Daarom blijken vrij recent gemaakte foto's ineens achterhaald te zijn.

Een van de meest controversiële gedurende ongeveer 100 jaar is de kwestie van de mogelijkheid om een ​​evenwichtstoestand in het heelal te bereiken, wat gelijk is aan het concept van zijn "thermische dood", waarvan de oorzaak de tweede wet van de thermodynamica is en de conclusies daaruit vloeien.

Deel 1. Tweede wet van de thermodynamica

De tweede wet van de thermodynamica. Functie en formulering:

Natuurlijke processen zijn altijd gericht op het bereiken van een evenwichtstoestand (mechanisch, thermisch of een andere) door het systeem. Dit fenomeen wordt weerspiegeld door de tweede wet van de thermodynamica, die van groot belang is voor de analyse van de werking van warmte- en krachtprocessen.

De tweede wet van de thermodynamica is een natuurkundig principe dat een beperking oplegt aan de richting van warmteoverdrachtsprocessen tussen lichamen. Het stelt dat spontane overdracht van warmte van een lichaam dat minder verwarmd is naar een lichaam dat meer verwarmd is, onmogelijk is.

De tweede wet van de thermodynamica verbiedt de zogenaamde perpetuum mobile van de tweede soort, die de onmogelijkheid toont om alle interne energie van het systeem om te zetten in nuttig werk.

De tweede wet van de thermodynamica is een postulaat dat niet kan worden bewezen in het kader van de thermodynamica. Het is gemaakt op basis van een veralgemening van experimentele feiten en ontving talrijke experimentele bevestigingen.

Er zijn formuleringen:

- de overdracht van warmte van een koude naar een hete bron is onmogelijk zonder arbeid;

- het is onmogelijk om een ​​periodiek werkende machine te bouwen die wel werkt en daarmee het warmtereservoir koelt;

- de natuur heeft de neiging om van minder waarschijnlijke toestanden naar meer waarschijnlijke toestanden te gaan.

Benadrukt moet worden dat de tweede wet van de thermodynamica (evenals de eerste) is geformuleerd op basis van ervaring. In zijn meest algemene vorm kan de tweede wet van de thermodynamica als volgt worden geformuleerd: elk echt spontaan proces is onomkeerbaar. Alle andere formuleringen van de tweede wet zijn speciale gevallen van de meest algemene formulering:

een proces is onmogelijk waarbij warmte spontaan zou worden overgedragen van koudere lichamen naar warmere lichamen(postulaat van Clausius, 1850).

W. Thomson (Lord Kelvin) stelde in 1851 de volgende formulering voor: het is onmogelijk om door middel van een levenloos materieel middel mechanisch werk te verkrijgen uit een massa materie door deze af te koelen tot onder de temperatuur van de koudste van de omringende objecten.

M. Planck stelde een preciezere formulering voor dan die van Thomson: het is onmogelijk om een ​​periodiek werkende machine te bouwen, waarvan de hele werking zou worden teruggebracht tot het concept van een bepaalde belasting en het koelen van een warmtebron.

Deel 2. Entropie

2.1 Het concept van entropie.

De discrepantie tussen de omzetting van warmte in arbeid en arbeid in warmte leidt tot een eenzijdige oriëntatie van reële processen in de natuur, die de fysieke betekenis van de tweede wet van de thermodynamica weerspiegelt in de wet van het bestaan ​​en toename van reële processen van een bepaalde functie genaamd entropie , definiërend maat voor de afschrijving van energie.

Vaak wordt de tweede wet van de thermodynamica gepresenteerd als een verenigd principe van het bestaan ​​en de toename van entropie.

Het principe van het bestaan ​​van entropie geformuleerd als wiskundige uitdrukking entropie van thermodynamische systemen onder omstandigheden van omkeerbare stroom van processen:

Entropie Toenemend Principe reduceert tot de bewering dat de entropie van geïsoleerde systemen steevast toeneemt met elke verandering in hun toestand en alleen constant blijft met een omkeerbare stroom van processen:

Beide conclusies over het bestaan ​​en de toename van entropie worden verkregen op basis van een postulaat dat de onomkeerbaarheid van reële processen in de natuur weerspiegelt. Meestal worden de postulaten van R. Clausius, W. Thompson-Kelvin, M. Planck gebruikt om het gecombineerde principe van het bestaan ​​en de toename van entropie te bewijzen

2.2. Entropie toename wet. Afleiding van de wet van toenemende entropie.

We passen de Clausius-ongelijkheid toe om het onomkeerbare circulaire thermodynamische proces weergegeven in figuur 1 te beschrijven.

Figuur 1. Onomkeerbaar circulair thermodynamisch proces

Laat proces 1-2 onomkeerbaar zijn en proces 2-1 omkeerbaar. Dan neemt de Clausius-ongelijkheid voor dit geval de vorm aan:

Aangezien het 2-1-proces omkeerbaar is, is

Door deze formule te vervangen door ongelijkheid (1) kunnen we de uitdrukking verkrijgen

Vergelijking van uitdrukkingen (1) en (2) stelt ons in staat om de volgende ongelijkheid te schrijven:

waarin het gelijkteken plaatsvindt als het proces 1-2 omkeerbaar is, en het teken groter is dan als het proces 1-2 onomkeerbaar is.

Ongelijkheid (3) kan ook in de differentiële vorm worden geschreven

Als we een adiabatisch geïsoleerd thermodynamisch systeem beschouwen, waarvoor, dan heeft uitdrukking (4) de vorm

of in integrale vorm

De resulterende ongelijkheden drukken de entropietoenamewet uit, die als volgt kan worden geformuleerd:

In een adiabatisch geïsoleerd thermodynamisch systeem kan entropie niet afnemen: het blijft behouden als er alleen omkeerbare processen in het systeem plaatsvinden, of het neemt toe als er tenminste één onomkeerbaar proces in het systeem plaatsvindt.

De schriftelijke verklaring is een andere formulering van de tweede wet van de thermodynamica.

2.3 Mogelijkheid van entropie in het heelal

In een adiabtisch geïsoleerd thermodynamisch systeem kan entropie niet afnemen: het blijft behouden als er alleen omkeerbare processen in het systeem plaatsvinden, of het neemt toe als er tenminste één onomkeerbaar proces in het systeem plaatsvindt.

De schriftelijke verklaring is een andere formulering van de tweede wet van de thermodynamica.

Een geïsoleerd thermodynamisch systeem neigt dus naar de maximale waarde van entropie, waarbij een toestand van thermodynamisch evenwicht optreedt.

Opgemerkt moet worden dat als het systeem niet geïsoleerd is, er een afname van de entropie mogelijk is. Een voorbeeld van een dergelijk systeem is bijvoorbeeld een conventionele koelkast, waarbinnen een afname van entropie mogelijk is. Maar voor zulke open systemen deze lokale afname van de entropie wordt altijd gecompenseerd door een toename van de entropie in de omgeving, die groter is dan de lokale afname.

De paradox die in 1852 door Thomson (Lord Kelvin) werd geformuleerd en door hem de hypothese van de hittedood van het heelal werd genoemd, houdt rechtstreeks verband met de wet van de entropietoename. Een gedetailleerde analyse van deze hypothese werd uitgevoerd door Clausius, die het legitiem achtte om de wet van entropietoename uit te breiden tot het hele universum. Als we het heelal beschouwen als een adiabatisch geïsoleerd thermodynamisch systeem, dan kunnen we, gezien zijn oneindige leeftijd, gebaseerd op de wet van entropietoename, concluderen dat het zijn maximale entropie heeft bereikt, dat wil zeggen de toestand van thermodynamisch evenwicht. Maar in het heelal dat ons werkelijk omringt, wordt dit niet waargenomen.

Deel 3. Theorie van "thermische dood" van het heelal.

De thermische dood van het heelal (TSV) is de conclusie dat alle soorten energie in het heelal uiteindelijk moeten veranderen in de energie van thermische beweging, die gelijkmatig zal worden verdeeld over de substantie van het heelal, waarna alle macroscopische processen zullen stoppen in het.

Deze conclusie is door R. Clausius (1865) geformuleerd op basis van de tweede wet van de thermodynamica. Volgens de tweede wet neigt elk fysiek systeem dat geen energie uitwisselt met andere systemen (een dergelijke uitwisseling is uiteraard uitgesloten voor het heelal als geheel) naar de meest waarschijnlijke evenwichtstoestand - naar de zogenaamde toestand met maximale entropie. ... , "analisten" (ik en II) en etc.; 3) ... wet uitgesloten tante (A of niet - A, d.w.z. of En waar, of ... bril" ... thermisch van de dood Universum. De onverwoestbaarheid van materie kan niet alleen in kwantitatieve termen worden begrepen. De wetten ... de wetten Kepler, de wetten thermodynamica, de wetten ...

Fysische concepten

Samenvatting >> Natuurkunde

Hydrostatica van Archimedes (III- II v. BC) ... XIII eeuw punten, maar... of begin, die een veralgemening zijn van de resultaten van talrijke observaties en experimenten. b) Eerste start thermodynamica (wet... het concept vormgeven " thermisch van de dood" universum. Zijn essentie...

Hoe wordt energie opgewekt, hoe wordt het van de ene vorm in de andere omgezet en wat gebeurt er met energie in een gesloten systeem? Al deze vragen kunnen worden beantwoord door de wetten van de thermodynamica. De tweede wet van de thermodynamica zal vandaag in meer detail worden besproken.

Wetten in het dagelijks leven

Wetten beheersen het dagelijks leven. Wegenwetten zeggen dat je moet stoppen bij stopborden. De regering eist een deel van hun salaris af te staan ​​aan de staat en de federale overheid. Zelfs wetenschappelijke zijn van toepassing op het dagelijks leven. De wet van de zwaartekracht voorspelt bijvoorbeeld een nogal slechte uitkomst voor degenen die proberen te vliegen. Een andere reeks wetenschappelijke wetten die het dagelijks leven beïnvloeden, zijn de wetten van de thermodynamica. Er kunnen dus een aantal voorbeelden worden gegeven om te zien hoe ze het dagelijks leven beïnvloeden.

Eerste wet van de thermodynamica

De eerste wet van de thermodynamica stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar wel van de ene vorm in de andere kan worden omgezet. Dit wordt ook wel de wet van behoud van energie genoemd. Dus hoe is dit van toepassing op het dagelijks leven? Welnu, neem bijvoorbeeld de computer die u nu gebruikt. Het voedt zich met energie, maar waar komt deze energie vandaan? De eerste wet van de thermodynamica vertelt ons dat deze energie niet uit de lucht kan komen, dus kwam het ergens vandaan.

Je kunt deze energie volgen. De computer wordt aangedreven door elektriciteit, maar waar komt de elektriciteit vandaan? Dat klopt, van een elektriciteitscentrale of waterkrachtcentrale. Als we het tweede beschouwen, wordt het geassocieerd met een dam die de rivier tegenhoudt. De rivier heeft een verbinding met kinetische energie, wat betekent dat de rivier stroomt. De dam zet deze kinetische energie om in potentiële energie.

Hoe werkt een waterkrachtcentrale? Water wordt gebruikt om de turbine te laten draaien. Wanneer de turbine draait, wordt een generator in beweging gezet, die elektriciteit opwekt. Deze elektriciteit kan volledig in draden van de energiecentrale naar uw huis worden geleid, zodat wanneer u het netsnoer aansluit op: stopcontact elektriciteit uw computer is binnengedrongen zodat deze kon werken.

Wat is hier gebeurd? Er was al een bepaalde hoeveelheid energie die werd geassocieerd met het water in de rivier als kinetische energie. Toen veranderde het in potentiële energie. De dam nam vervolgens die potentiële energie en veranderde het in elektriciteit, die vervolgens je huis binnen kon komen en je computer van stroom kon voorzien.

Tweede wet van de thermodynamica

Door deze wet te bestuderen, kan men begrijpen hoe energie werkt en waarom alles naar mogelijke chaos en wanorde beweegt. De tweede wet van de thermodynamica wordt ook wel de wet van entropie genoemd. Heb je je ooit afgevraagd hoe het universum is ontstaan? Volgens de oerknaltheorie verzamelde zich voordat alles was geboren een enorme hoeveelheid energie. Het heelal verscheen na de oerknal. Dit is allemaal goed, maar wat voor soort energie was het? In het begin der tijden bevond alle energie in het universum zich op één relatief kleine plaats. Deze intense concentratie vertegenwoordigde een enorme hoeveelheid van wat potentiële energie wordt genoemd. Na verloop van tijd verspreidde het zich over de enorme uitgestrektheid van ons heelal.

Op veel kleinere schaal bevat het waterreservoir dat door de dam wordt vastgehouden potentiële energie, omdat het door de locatie ervan door de dam kan stromen. In elk geval verspreidt de opgeslagen energie, eenmaal vrijgekomen, zich zonder enige inspanning. Met andere woorden, het vrijkomen van potentiële energie is een spontaan proces dat plaatsvindt zonder dat er extra middelen nodig zijn. Terwijl energie wordt gedistribueerd, wordt een deel ervan omgezet in bruikbare energie en verricht het wat werk. De rest wordt omgezet in onbruikbaar, kortweg warmte genoemd.

Naarmate het heelal blijft uitdijen, bevat het steeds minder bruikbare energie. Als er minder bruikbaar is, kan er minder werk worden gedaan. Doordat het water door de dam stroomt, bevat het ook minder bruikbare energie. Deze afname van bruikbare energie in de loop van de tijd wordt entropie genoemd, waarbij entropie de hoeveelheid ongebruikte energie in een systeem is, en een systeem eenvoudigweg de verzameling objecten is die een geheel vormen.

Entropie kan ook worden aangeduid als de hoeveelheid willekeur of chaos in een organisatie zonder organisatie. Naarmate de bruikbare energie in de loop van de tijd afneemt, nemen desorganisatie en chaos toe. Dus als de geaccumuleerde potentiële energie vrijkomt, wordt dit niet allemaal omgezet in bruikbare energie. Alle systemen ervaren deze toename in entropie in de tijd. Dit is erg belangrijk om te begrijpen, en dit fenomeen wordt de tweede wet van de thermodynamica genoemd.

Entropie: willekeur of defect

Zoals je misschien al geraden hebt, volgt de tweede wet de eerste, die gewoonlijk de wet van behoud van energie wordt genoemd, en stelt dat energie niet kan worden gecreëerd en niet kan worden vernietigd. Met andere woorden, de hoeveelheid energie in het universum of enig systeem is constant. De tweede wet van de thermodynamica wordt gewoonlijk de wet van entropie genoemd en stelt dat naarmate de tijd verstrijkt, energie minder nuttig wordt en de kwaliteit ervan in de loop van de tijd afneemt. Entropie is de mate van willekeur of defecten die een systeem heeft. Als het systeem zeer ongeordend is, heeft het: grote entropie. Als er veel fouten in het systeem zijn, is de entropie laag.

praten in eenvoudige woorden, stelt de tweede wet van de thermodynamica dat de entropie van een systeem niet met de tijd kan afnemen. Dit betekent dat in de natuur dingen van een staat van orde naar een staat van wanorde gaan. En het is onomkeerbaar. Het systeem zal nooit vanzelf ordelijker worden. Met andere woorden, in de natuur neemt de entropie van een systeem altijd toe. Een manier om erover na te denken is je huis. Als je het nooit schoonmaakt en stofzuigt, krijg je al snel een vreselijke puinhoop. Entropie is toegenomen! Om het te verminderen, is het noodzakelijk om energie te gebruiken om een ​​stofzuiger en een dweil te gebruiken om het oppervlak van stof te reinigen. Het huis maakt zichzelf niet schoon.

Wat is de tweede wet van de thermodynamica? De formulering zegt in eenvoudige bewoordingen dat wanneer energie van de ene vorm in de andere verandert, materie ofwel vrij beweegt, ofwel de entropie (stoornis) in een gesloten systeem toeneemt. Verschillen in temperatuur, druk en dichtheid hebben de neiging om in de loop van de tijd horizontaal af te vlakken. Door de zwaartekracht zijn dichtheid en druk verticaal niet gelijk. De dichtheid en druk aan de onderkant zal groter zijn dan aan de bovenkant. Entropie is een maat voor de verspreiding van materie en energie overal waar het toegang heeft. De meest voorkomende formulering van de tweede wet van de thermodynamica wordt voornamelijk geassocieerd met Rudolf Clausius die zei:

Het is onmogelijk om een ​​apparaat te bouwen dat geen ander effect heeft dan de overdracht van warmte van een lichaam met een lagere temperatuur naar een lichaam met een hogere temperatuur.

Met andere woorden, alles probeert in de loop van de tijd dezelfde temperatuur te behouden. Er zijn veel formuleringen van de tweede wet van de thermodynamica die verschillende termen gebruiken, maar ze betekenen allemaal hetzelfde. Nog een uitspraak van Clausius:

Warmte zelf gaat niet van een kouder naar een heter lichaam.

De tweede wet is alleen van toepassing op grote systemen. Het betreft het waarschijnlijke gedrag van een systeem waarin geen energie of materie is. Hoe meer systeem, hoe waarschijnlijker de tweede wet is.

Een andere formulering van de wet:

De totale entropie neemt altijd toe in een spontaan proces.

De toename in entropie ΔS tijdens het proces moet groter zijn dan of gelijk zijn aan de verhouding van de hoeveelheid warmte Q die aan het systeem wordt overgedragen tot de temperatuur T waarbij warmte wordt overgedragen.

Thermodynamisch systeem

In algemene zin stelt de formulering van de tweede wet van de thermodynamica in eenvoudige bewoordingen dat temperatuurverschillen tussen systemen die met elkaar in contact staan ​​de neiging hebben om gelijk te worden en dat werk kan worden verkregen uit deze niet-evenwichtsverschillen. Maar in dit geval is er een verlies van thermische energie en neemt de entropie toe. Verschillen in druk, dichtheid en temperatuur hebben de neiging om gelijk te worden als ze de kans krijgen; dichtheid en druk, maar niet de temperatuur, zijn afhankelijk van de zwaartekracht. Een warmtemotor is een mechanisch apparaat dat nuttig werk levert vanwege het temperatuurverschil tussen twee lichamen.

Een thermodynamisch systeem is een systeem dat interageert en energie uitwisselt met het gebied eromheen. Uitwisseling en overdracht moeten op minimaal twee manieren plaatsvinden. Een manier zou warmteoverdracht moeten zijn. Als een thermodynamisch systeem "in evenwicht" is, kan het zijn toestand of status niet veranderen zonder interactie met zijn omgeving. Simpel gezegd, als je in balans bent, ben je een "gelukkig systeem", daar kun je niets aan doen. Als je iets wilt doen, moet je contact hebben met de buitenwereld.

De tweede wet van de thermodynamica: de onomkeerbaarheid van processen

Het is onmogelijk om een ​​cyclisch (herhalend) proces te hebben dat warmte volledig omzet in arbeid. Het is ook onmogelijk om een ​​proces te hebben dat warmte van koude objecten naar warme objecten overdraagt ​​zonder arbeid te gebruiken. Bij een reactie gaat altijd wat energie verloren aan warmte. Ook kan het systeem niet al zijn energie omzetten in werkenergie. Het tweede deel van de wet is duidelijker.

Een koud lichaam kan een warm lichaam niet verwarmen. Warmte heeft van nature de neiging om van warmere naar koelere gebieden te stromen. Als warmte van koeler naar warmer gaat, is dat in strijd met wat "natuurlijk" is, dus het systeem moet wat werk doen om het te laten gebeuren. in de natuur - de tweede wet van de thermodynamica. Dit is misschien wel de meest bekende (althans onder wetenschappers) en belangrijke wet van alle wetenschap. Een van zijn uitspraken:

De entropie van het heelal neigt naar een maximum.

Met andere woorden, de entropie blijft hetzelfde of wordt groter, de entropie van het universum kan nooit afnemen. Het probleem is dat dit altijd waar is. Als je een fles parfum neemt en deze in een kamer spuit, dan zullen de geurige atomen al snel de hele ruimte vullen en dit proces is onomkeerbaar.

Relaties in de thermodynamica

De wetten van de thermodynamica beschrijven de relatie tussen thermische energie, of warmte, en andere vormen van energie, en hoe energie de materie beïnvloedt. De eerste wet van de thermodynamica stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd; de totale hoeveelheid energie in het heelal blijft onveranderd. De tweede wet van de thermodynamica gaat over de kwaliteit van energie. Het stelt dat naarmate energie wordt overgedragen of omgezet, er steeds meer bruikbare energie verloren gaat. De tweede wet stelt ook dat elk geïsoleerd systeem een ​​natuurlijke neiging heeft om meer wanordelijk te worden.

Zelfs wanneer de bestelling op een bepaalde plaats toeneemt, wanneer u rekening houdt met het hele systeem, inclusief omgeving, is er altijd een toename van entropie. In een ander voorbeeld kunnen zich kristallen vormen uit een zoutoplossing wanneer water wordt verdampt. Kristallen zijn meer geordend dan zoutmoleculen in oplossing; verdampt water is echter veel meer ongeordend dan vloeibaar water. Het proces, als geheel genomen, resulteert in een netto toename van wanorde.

Werk en energie

De tweede wet legt uit dat het onmogelijk is om thermische energie om te zetten in mechanische energie met 100 procent efficiëntie. Een voorbeeld is een auto. Na het proces van verwarming van het gas om de druk te verhogen om de zuiger aan te drijven, blijft er altijd wat warmte in het gas achter die niet kan worden gebruikt om extra werk uit te voeren. Deze restwarmte moet worden afgevoerd door deze over te brengen naar een radiator. In het geval van een automotor gebeurt dit door het mengsel van verbruikte brandstof en lucht aan de atmosfeer te onttrekken.

Bovendien veroorzaakt elk apparaat met bewegende delen wrijving die mechanische energie omzet in warmte, die meestal onbruikbaar is en uit het systeem moet worden verwijderd door het over te brengen naar een radiator. Wanneer warme en koude lichamen met elkaar in contact komen, thermische energie zullen van een heet lichaam naar een koud lichaam stromen totdat ze een thermisch evenwicht bereiken. De warmte zal echter nooit de andere kant op terugkeren; het temperatuurverschil tussen twee lichamen zal nooit spontaan toenemen. Het verplaatsen van warmte van een koud lichaam naar een warm lichaam vereist werk van een externe energiebron zoals een warmtepomp.

Het lot van het universum

De tweede wet voorspelt ook het einde van het heelal. Dit is het ultieme niveau van wanorde, als er overal constant thermisch evenwicht is, kan er geen werk worden gedaan en zal alle energie eindigen als een willekeurige beweging van atomen en moleculen. Volgens moderne gegevens is de Metagalaxy een uitdijend niet-stationair systeem en kan er geen sprake zijn van de hittedood van het heelal. Thermische dood is een toestand van thermisch evenwicht waarin alle processen ophouden.

Deze positie is onjuist, aangezien de tweede wet van de thermodynamica alleen van toepassing is op gesloten systemen. En het universum is, zoals je weet, grenzeloos. De term "hittedood van het heelal" wordt echter soms gebruikt om te verwijzen naar een scenario voor de toekomstige ontwikkeling van het heelal, volgens welke het tot in het oneindige zal blijven uitdijen in de duisternis van de ruimte, totdat het in verspreide koude verandert. stof.