Det Anden lov om termodynamik den har forskellige former for udtryk. En af dem siger, at ingen varmemotorer er i stand til fuldstændigt at omdanne al den energi, den absorberer, til brugbart arbejde (Kelvin-Planck-formulering). En anden måde at sige det på er at sige, at virkelige processer sker i en sådan forstand, at energikvaliteten er lavere, fordi entropi har tendens til at stige.
Denne lov, også kendt som det andet princip for termodynamik, er blevet udtrykt på forskellige måder over tid fra det tidlige 19. århundrede til nutiden, skønt dens oprindelse stammer fra oprettelsen af de første dampmaskiner i England., I begyndelsen af det 18. århundrede.
Men skønt det udtrykkes på mange måder, har ideen om, at materie tendens til at blive uordnet, og at ingen proces er 100% effektiv, da tab altid vil eksistere..
Alle termodynamiske systemer overholder dette princip, begyndende med selve universet til morgenkaffen kaffe, der venter stille på bordet og udveksler varme med miljøet..
Kaffen afkøles, når tiden går, indtil den er i termisk ligevægt med miljøet, så det ville være meget overraskende, hvis en dag det modsatte skete, og miljøet afkøledes, mens kaffen opvarmede sig selv. Det er usandsynligt, at nogle vil sige umuligt, men forestil dig det bare for at få en idé om den forstand, hvor ting sker spontant.
I et andet eksempel, hvis vi glider en bog på bordets overflade, stopper den til sidst, fordi dens kinetiske energi går tabt som varme på grund af friktion..
Den første og anden lov om termodynamik blev etableret omkring 1850 takket være forskere som Lord Kelvin - skaberen af udtrykket "termodynamik" -, William Rankine - forfatter til den første formelle tekst om termodynamik - og Rudolph Clausius..
Artikelindeks
Entropi - nævnt i starten - hjælper os med at etablere den forstand, som tingene sker i. Lad os gå tilbage til eksemplet med legemer i termisk kontakt.
Når to objekter ved forskellige temperaturer kommer i kontakt og endelig efter et stykke tid når termisk ligevægt, drives de til det af det faktum, at entropien når sit maksimum, når temperaturen på begge er den samme.
Betegner entropi som S, ændringen i entropi AS af et system er givet ved:
Ændringen af entropi AS angiver graden af forstyrrelse i et system, men der er en begrænsning i brugen af denne ligning: den gælder kun for reversible processer, det vil sige dem, hvor systemet kan vende tilbage til sin oprindelige tilstand uden at efterlade spor af, hvad der skete-.
I irreversible processer ser termodynamikens anden lov sådan ud:
Kop kaffe bliver altid kold og er et godt eksempel på en irreversibel proces, da den altid kun sker i én retning. Hvis du tilføjer fløde til kaffen og ryster, får du en meget behagelig kombination, men uanset hvor meget du ryster igen, har du ikke kaffe og cremen separat, fordi omrøring er irreversibel..
Selvom de fleste af de daglige processer er irreversible, er nogle det næsten reversibel. Reversibilitet er en idealisering. For at dette kan finde sted, skal systemet ændre sig meget langsomt på en sådan måde, at det på hvert punkt altid er i ligevægt. På denne måde er det muligt at returnere det til en tidligere tilstand uden at efterlade spor i omgivelserne..
Processer, der er tæt på dette ideal, er mere effektive, da de leverer en større mængde arbejde med mindre energiforbrug..
Friktionskraften er ansvarlig for meget af irreversibiliteten, fordi den varme, der genereres af den, ikke er den type energi, der søges. I bogen, der glider over bordet, er friktionsvarme energi, der ikke genvindes.
Selvom bogen vender tilbage til sin oprindelige position, vil bordet have været varmt som et spor af at komme og gå på den.
Se nu på en glødepære: det meste af det arbejde, der udføres af strømmen gennem glødetråden, spildes i varme af Joule-effekten. Kun en lille procentdel bruges til at udsende lys. I begge processer (bog og pære) er systemets entropi steget.
En ideel motor er en, der er bygget ved hjælp af reversible processer og mangler friktion, der forårsager energispild ved konvertering næsten al varmeenergi i brugbart arbejde.
Vi understreger ordet næsten, for selv den ideelle motor, som er Carnots, er ikke 100% effektiv. Den anden lov om termodynamik sikrer, at dette ikke er tilfældet.
Carnot-motoren er den mest effektive motor, der kan udtænkes. Det fungerer mellem to temperaturtanke i to isotermiske processer - ved konstant temperatur - og to adiabatiske processer - uden overførsel af termisk energi-.
Graferne kaldet PV-tryk-volumen-diagram- klargør situationen med et øjeblik:
Til venstre, i figur 3, er diagrammet over Carnot-motoren C, som tager varmen Q1 af tanken ved temperaturen T1, konverterer denne varme til arbejde W og giver affaldet Qto til den koldeste tank, som er ved temperatur Tto.
Startende fra A udvides systemet, indtil det når B og absorberer varme ved den faste temperatur T1. I B begynder systemet en adiabatisk ekspansion, hvor ingen varme vindes eller tabes, for at nå C.
I C begynder en anden isoterm proces: at overføre varme til den anden koldere termiske aflejring, der er ved Tto. Når dette sker, komprimeres systemet og når punkt D. Der begynder en anden adiabatisk proces for at vende tilbage til startpunktet A. På denne måde afsluttes en cyklus.
Effektiviteten af Carnot-motoren afhænger af temperaturerne i kelvin af de to termiske reservoirer:
Maksimal effektivitet = (Qindgang - SpørgsmålAfslut) / Qindgang = 1 - (Tto/ T1)
Carnots sætning siger, at dette er den mest effektive varmemotor derude, men vær ikke for hurtig til at købe den. Husker du, hvad vi sagde om procesreversibilitet? De skal ske meget, meget langsomt, så maskinens effekt er næsten nul..
Mennesker har brug for energi for at holde alle deres systemer i funktion, derfor opfører de sig som termiske maskiner, der modtager energi og omdanner den til mekanisk energi til for eksempel at flytte.
Effektivitet og af menneskekroppen, når man udfører arbejde, kan defineres som kvotienten mellem den mekaniske kraft, den kan levere, og den samlede energiindgang, der følger med mad.
Som middelstyrke Pm er arbejde W udført i et tidsinterval At, kan udtrykkes som:
Pm = W / At
Ja UU / Δt er den hastighed, hvormed energi tilføjes, er kroppens effektivitet som:
Gennem adskillige tests med frivillige er der opnået virkningsgrader på op til 17%, hvilket leverer ca. 100 watt strøm i flere timer.
Selvfølgelig vil det i høj grad afhænge af den opgave, der udføres. Det er lidt mere effektivt at træde på en cykel, omkring 19%, mens gentagne opgaver, der inkluderer skovle, pluk og hø, er så lave som omkring 3%..
Den anden lov om termodynamik er implicit i alle processer, der forekommer i universet. Entropi er altid stigende, selvom det i nogle systemer ser ud til at være faldende. For at dette kan ske, har det været nødvendigt at stige andetsteds, så det i den samlede saldo er positivt.
- I læring er der entropi. Der er mennesker, der lærer tingene godt og hurtigt, ud over at de let kan huske dem senere. Det siges, at de er mennesker med lav entropilæring, men de er bestemt mindre talrige end dem med høj entropi: dem, der finder det sværere at huske de ting, de studerer.
- En virksomhed med uorganiserede arbejdstagere har mere entropi end en, hvor arbejdere udfører opgaver på en ordnet måde. Det er klart, at sidstnævnte vil være mere effektiv end den førstnævnte.
- Friktionskræfter genererer mindre effektivitet i maskindriften, fordi de øger den mængde spredt energi, der ikke kan bruges effektivt.
- At kaste terninger har en højere entropi end at vende en mønt. Når alt kommer til alt, at kaste en mønt har kun 2 mulige resultater, mens at kaste matricen har 6. Jo flere begivenheder der er sandsynlige, jo mere entropi er der..
En stempelcylinder fyldes med en blanding af væske og vanddamp ved 300 K og 750 kJ varme overføres til vandet ved en konstant trykproces. Som et resultat fordamper væsken inde i cylinderen. Beregn ændringen i entropi i processen.
Processen beskrevet i erklæringen udføres ved konstant tryk i et lukket system, der ikke gennemgår masseudveksling.
Da det er en fordampning, hvor temperaturen heller ikke ændrer sig (under faseændringer er temperaturen konstant), kan definitionen af entropiændring angivet ovenfor anvendes, og temperaturen kan gå uden for integralet:
AS = 750.000 J / 300 K = 2500 J / K.
Da varme kommer ind i systemet, er ændringen i entropi positiv.
En gas gennemgår en trykforøgelse fra 2,00 til 6,00 atmosfærer (atm) og opretholder et konstant volumen på 1,00 m3, og ekspander derefter ved konstant tryk, indtil det når et volumen på 3,00 m3. Endelig vender den tilbage til sin oprindelige tilstand. Beregn, hvor meget arbejde der udføres i 1 cyklus.
Det er en cyklisk proces, hvor den indre energivariation er nul, ifølge termodynamikens første lov, derfor Q = W. I et PV-diagram (tryk - volumen) svarer arbejdet under en cyklisk proces til det område, der er lukket for kurven. For at give resultaterne i det internationale system er det nødvendigt at foretage en enhedsændring i tryk ved hjælp af følgende konverteringsfaktor:
1 atm = 101,325 kPa = 101,325 Pa.
Området, der er omsluttet af grafen, svarer til arealet af en trekant, hvis base (3 - 1 m3) = 2 m3 og hvis højde er (6 - 2 atm) = 4 atm = 405.300 Pa
WABCA = ½ (2 m3 x 405300 Pa) = 405300 J = 405,3 kJ.
En af de mest effektive maskiner, der nogensinde er bygget, siges at være en kulfyret dampturbine på Ohio-floden, som bruges til at drive en elektrisk generator, der kører mellem 1870 og 430 ° C..
Beregn: a) Den maksimale teoretiske effektivitet, b) Mekanisk effekt leveret af maskinen, hvis den absorberer 1,40 x 105 J energi hvert sekund fra den varme tank. Den faktiske effektivitet vides at være 42,0%.
a) Den maksimale effektivitet beregnes med ligningen ovenfor:
Maksimal effektivitet = (Qindgang - Spørgsmål Afslut) / Qindgang = 1 - (Tto/ T1)
For at ændre grader celsius til kelvin skal du blot tilføje 273,15 til celsius temperaturen:
Multiplikation med 100% giver den maksimale procentvise effektivitet, som er 67,2%
c) Hvis den reelle effektivitet er 42%, er der en maksimal effektivitet på 0,42.
Den leverede mekaniske effekt er: P = 0,42 x 1,40 x 10 5 J / s = 58800 W.
Endnu ingen kommentarer