Второй закон термодинамики

II закон термодинамики выражает качественную неэквивалентность теплоты и работы.

1. Постулат Клаузиуса. Невозможен самопроизвольный переход теплоты от холодного тела к горячему.

2. Постулат Томсона. Процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу, невозможен.

3. Первый постулат Планка. Невозможно построить периодически действующую машину, которая бы только охлаждала тепловой резервуар и совершала работу.

4. Второй постулат Планка. Любая форма энергии может полностью преобразоваться в теплоту, но теплота преобразуется в другие виды энергии лишь частично.

Одна из важнейших областей приложения 2-го закона термодинамики – анализ действия устройств, предназначенных для преобразования и передачи энергии: тепловых машин, теплообменников и т.д. Основной технической характеристикой является

КПД – коэффициент полезного действия h.

h = Е_пол/Е_затр

Е_пол - энергия, полученная или переданная

Е_затр - использованная или затраченная.

КПД характеризует способность тепловой машины трансформировать теплоту в работу.

КПД можно рассчитать по формулам:

h = (Q₁-Q₂)/Q₁ = W/Q₁

h = (T₁-T₂)/T₁

T₁, T₂ – температуры теплоотдатчика (нагревателя) и теплоприёмника (холодильника)

Т₁ > Т₂

Q₁ – теплота, отданная нагревателем рабочему телу.

Q₂ – теплота, отданная рабочим телом холодильнику.

Q₁ >Q₂

W – разность теплот Q₁ - Q₂, преобразованных в работу.

0£КПД<1

Все тепловые машины работают по циклу Карно.

Теплоту можно представить в виде произведения фактора интенсивности

(температура) и фактора экстенсивности (приведённая теплота Q/T)

Q = T× (Q/T)

Q/T = DS

S – энтропия системы [S] = Дж/К

Она характеризует меру беспорядка в микроструктуре системы (чем хаотичнее система, тем S больше).

Sm – молярная энтропия, для 1 моль вещества Дж/(моль×К)

Sуд – удельная, для 1 кг вещества Дж/(кг×К).

По изменению DS можно судить о направлении процесса, если в ходе реакции:

DS > 0 – самопроизвольный процесс (прямой);

DS < 0 – самопроизвольный процесс невозможен;

DS = 0 – равновесие.

Та часть внутренней энергии, которая не способна превращаться в работу называется связанной энергией.

Есвяз = Т×S

Рассмотрим изменение энтропии в некоторых термодинамических системах:

1) Изотермический процесс Т=const DS_T = пR ln(V₂/V₁)= пRln(P₁/P₂)

2) Изобарный процесс Р=const DS_p = C_p ln(T₂/T₁)

3) Изохорный процесс V=const DS_V = C_V ln(T₂/T₁)

4) Адиабатический процесс DSад = 0

5) При фазовом переходе DS_ф.п. = DН_ф.п./ Т_ф.п.

Учитывая энтропию, можно записать объёдинённое выражение 1,2 закона термодинамики DU = TDS – W

Полезная работа (W ') термодинамического процесса – это положительная работа, то есть работа над окружающей средой.

Wполная = РDV + W'

PDV – работа против внешнего Р.

Только термодинамически обратимый самопроизвольный процесс сопровождается полезной немеханической работой и достигает мах значения, то есть 0£W'£W'мах.

Для изохорно-изотермического процесса V, T = const W'мах = -DF

Для изобарно-изотермического процесса W'мах = -DG

F, G – сводные энергии системы, то есть энергии, которые превращаются в работу;

F – энергия Гельмгольца или изохорно - изотермический потенциал (Дж);

G – энергия Гиббса или изобарно-изотермический потенциал (Дж).

DF = DU - TDS.

DG = DH - TDS.

По изменению функций DF, DG можно судить о направлении процесса:

1) DF, DG < 0 – возможен самопроизвольный (прямой) процесс.

2) DF, DG > 0 – самопроизвольный процесс невозможен

3) DF, DG = 0 – равновесие.

При самопроизвольном процессе происходит убыль свободной энергии системы (F,G), то есть энергии, способной превращаться в работу и пределом течения таких процессов является минимум свободной энергии системы – этот закон называется принцип минимума свободной энергии.

Дата добавления: 2014-11-18