Ентропия, ентальпия и Втори закон на термодинамиката
Целта е да се разви основно разбиране за следните концепции:
Вътрешна енергия и първият закон на термодинамиката
Циклични и произволни процеси в системата
Обратимост и необратимост
Ентропия и енталпия
Вторият закон на термодинамиката
Вътрешна енергия и първият закон на термодинамиката
Когато енергията на молекулата в системата е свързана със свойствата на системата, тя се нарича вътрешна енергия (u).
Енергията не може да бъде създадена или унищожена и на базата на този принцип вътрешната енергия (u) на системата се променя, когато енергията преминава през границата на системата.
Така първият закон на термодинамиката може да бъде изразен по следния начин, когато топлина/работа взаимодейства с системата.
В горния уравнение u е вътрешната енергия на единица маса, а q и w са топлината и работата на единица маса съответно. Конвенцията за знаци, приета в горното уравнение, е:
dq > 0 (считано за положително) ⇒ Трансфер на топлина към системата
dq < 0 (считано за отрицателно) ⇒ Трансфер на топлина от системата dw > 0 (считано за положително) ⇒ Работа, извършена от системата
dw < 0 (считано за отрицателно) ⇒ Работа, извършена върху системата
Циклични и произволни процеси в системата
Една от важните форми на първия закон на термодинамиката се получава, когато
Интегрираме горното уравнение за цикличен процес.
Системата се счита за цикличен процес, когато след случайните промени, причинени от топлина/работа, тя се връща в своето начално състояние.
Необходимо е да се отбележат следните моменти:
Интеграцията на диференциала на всяко състояние е разликата между неговите граници.
Крайното състояние е същото като началното и няма промяна във вътрешната енергия на системата.
Така, когато
Началното и крайното състояние на вътрешната енергия в горното уравнение са представени с i и f. Замествайки горното в уравнение (1), тогава,
Уравнение (2) представлява интеграл от всичка работа, извършена от системата, или нетната работа, извършена от системата, е равна на интеграла от всички трансфери на топлина в системата. Инженерна термодинамика по-нататък разглежда концепциите за системи и процеси.
Произволен процес в системата
Това е резултат от първия закон на термодинамиката и е свързано с уравнение (1), ако системата включва произволен процес.
В това уравнение q и w са нетния трансфер на топлина и нетната работа за процеса съответно, докато uf и ui са крайните и началните стойности на вътрешната енергия (u). В жестока и изолирана адабатична система (w = 0, q = 0), нейната вътрешна енергия (u) остава непроменена. Тогава от уравнение (2) на цикличен процес.
Обратимост и необратимост
Системата се счита за извършваща процес, когато нейното начално състояние се променя в крайно състояние. Свойства като налягане, обем, енталпия, температура, ентропия и други се променят по време на термодинамически процес. Вторият закон на термодинамиката класифицира процесите под две категории
Идеални или обратими процеси
Природни или необратими процеси
Ако вариациите на температурата (t) и налягането (p) са безкрайно малки в системата, която извършва процес, тогава процесът може да бъде наречен близък до равновесие или приближаващ се към обратимост.
Процесът се счита за внутренно обратим, ако оригиналното състояние се възстанови в обратна посока.
Процесът се счита за външно обратим, ако околната среда, придружаваща промяната, също може да бъде възстановена в последователност.
Обратим процес е такъв, който е обратим както вътрешно, така и външно.
За да се измери успехът на реални процеси, професионалците използват обратимия процес като мярка за сравнение и приближаване на реалните и фактически процеси към обратимост, като намаляват загубите, за да увеличат ефективността на процесите.
Необратимост
Когато реалните процеси не удовлетворяват изискванията за обратимост, процесът се нарича необратим.
В необратим процес началното състояние на системата и околната среда не могат да бъдат върнати към началното състояние от крайното състояние. Ентропията на системата рязко нараства в необратим процес и стойността й не може да бъде върната към началната стойност от крайната стойност.
Необратимостта съществува поради вариации в налягането, състава, температурата, състава, главно причинени от трансфер на топлина, триене в твърди и течни вещества, химическа реакция. Професионалците се стремят да намалят ефектите на необратимостта в процесите и механизми.
Ентропия и енталпия
Както вътрешната енергия, ентропията и енталпи
