Entalpia, Entropia, i la Segona Llei de la Termodinàmica

L'objectiu és desenvolupar una comprensió bàsica dels següents conceptes:

• Energia interna i Primera Llei de la Termodinàmica

• El procés cíclic i arbitrari d'un sistema

• Reversibilitat i Irreversibilitat

• Entropia i Entalpia

• Segona Llei de la Termodinàmica

Energia Interna i Primera Llei de la Termodinàmica

Quan l'energia d'una molècula dins d'un sistema es relaciona amb les propietats del sistema, es denomina Energia Interna (u).
L'energia no es pot crear ni destruir i basant-se en aquest principi, l'energia interna del sistema (u) canvia quan l'energia creua els límits del sistema.
Així doncs, la primera llei de la termodinàmica es pot expressar com a continuació quan el calor/treball interacciona amb el sistema.

A l'equació anterior, u és l'energia interna per unitat de massa i q i w són el calor i el treball per unitat de massa respectivament. La convenció de signes adoptada en l'equació anterior és:
dq > 0 (considerat com positiu) ⇒ Transferència de calor al sistema
dq < 0 (considerat com negatiu) ⇒ Transferència de calor des del sistema dw > 0 (considerat com positiu) ⇒ Treball realitzat pel sistema
dw < 0 (considerat com negatiu) ⇒ Treball realitzat sobre el sistema

Procés Cíclic i Arbitrari d'un Sistema

Una de les formes importants de la Primera Llei de la Termodinàmica es obté quan

Integrem l'equació anterior per a un procés cíclic.

Es diu que un sistema està en un procés cíclic quan, després de subir canvis aleatoris deguts al calor/treball, torna al seu estat original.

Punts a tenir en compte són:

1. La integració de qualsevol diferencial de propietat d'estat és la diferència dels seus límits.

2. L'estat final és el mateix que l'estat original i no hi ha canvi en l'energia interna del sistema.

Així, quan

L'estat inicial i final de l'energia interna a l'equació anterior es representen per i i f. Substituint això a l'equació (1), llavors,

L'equació (2) és la representació de la integral de tot el treball realitzat pel sistema o el treball net realitzat pel sistema és igual a la integral de tota la transferència de calor al sistema. Enginyeria termodinàmica explora més en profunditat els conceptes de sistemes i processos.

Procés Arbitrari d'un Sistema

És el resultat de la Primera Llei de la Termodinàmica i està relacionat amb l'equació (1) si un sistema implica un procés arbitrari.

En aquesta equació, q i w són la transferència neta de calor i el treball net per al procés, respectivament, mentre que uf i ui són els valors finals i inicials de l'energia interna (u). En un sistema adiabàtic rígid i aïllat (w = 0, q = 0), llavors la seva energia interna (u) roman invariable. Aleshores, de l'eq (2) d'un procés cíclic.

Reversibilitat i Irreversibilitat

Es diu que un sistema està passant per un procés quan el seu estat inicial canvia a l'estat final. Propietats com la pressió, el volum, l'entalpia, la temperatura, l'entropia, etc., canvien durant un procés termodinàmic. La segona llei de la termodinàmica categoritza els processos en dos capítols

• Processos ideals o reversibles

• Processos naturals o irreversibles

Si les variacions de temperatura (t) i pressió (p) són infinitesimals en un sistema que està passant per un procés, aleshores el procés es pot considerar com a estats proper a l'equilibri o aproximant-se a la reversibilitat.
El procés es considera internament reversible si l'estat original es restaura en sentit invers.
El procés es considera externament reversible si l'ambient que acompanya el canvi també es pot revertir en seqüència.
El procés reversible és aquell que és reversible tant internament com externament.
Per a mesurar l'èxit dels processos reals, els professionals utilitzen el procés reversible com a mesura per comparar i portar els processos reals i efectius més a prop de la reversibilitat reduint les pèrdues per augmentar l'eficiència dels processos.

Irreversibilitat

Quan els processos reals no compleixen els requisits de reversibilitat, aleshores el procés es diu irreversible.
En el procés irreversible, l'estat inicial del sistema i l'entorn no es poden tornar a l'estat inicial des de l'estat final. L'entropia del sistema augmenta bruscament en el procés irreversible i el valor no es pot tornar a l'estat inicial des de l'estat final.
L'irreversibilitat persisteix a causa de les variacions de pressió, composició, temperatura, composició principal causades per la transferència de calor, la fricció en sòlids i líquids, la reacció química. Els professionals estan ocupats en reduir els efectes de l'irreversibilitat en els processos i mecanismes.

Entropia i Entalpia

Com l'energia interna, l'entropia i l'entalpia són propietats termodinàmiques. L'entropia es representa pel símbol s i el canvi d'entropia Δs en kJ/kg-K. L'entropia és un estat de desordre. L'entropia és el subjecte de la segona Llei de la Termodinàmica, que descriu el canvi d'entropia en el sistema i l'entorn respecte a l'Univers.
L'entropia es defineix com la raó entre la transferència de calor i la temperatura absoluta en un sistema per a una trajectòria termodinàmica reversible.

On, qrev denota la transferència de calor a través d'una trajectòria reversible.
L'entalpia (h) és una propietat d'estat i es defineix com,

On, h és l'entalpia específica, u és l'energia interna específica, v és el volum específic, p és la pressió.
A partir de l'equació (1)

Per tant

Diferenciant l'eq (4) i substituint-ho a l'equació anterior, llavors

Totes dues equacions estan relacionades amb els canvis d'entropia per a processos reversibles a causa dels canvis en l'energia interna i el volum en la primera equació i als canvis en l'entalpia i la pressió en la segona equació.
Ja que totes les quantitats en aquestes dues equacions són propietats d'estat, així l'entropia també és una propietat termodinàmica.

Segona Llei de la Termodinàmica

La segona llei de la termodinàmica és coneguda per descriure els seus límits en l'univers en termes de què l'univers pot fer. La 2na Llei tracta més bé amb inefficiències, decadència i degeneració.
Realitzem activitats en la nostra vida quotidiana que, per naturalesa, involucren processos ineficients i irreversibles.
La 2na llei de la termodinàmica es pot expressar més convenientment en relació amb l'entropia:
L'entropia es defineix com el canvi infinitesimal en l'entropia d'un sistema (dS) és la raó entre la quantitat de calor mesurada que ha entrat en el sistema tancat (dqrev) i la temperatura comuna (T) al punt on va tenir lloc la transferència de calor.

La segona llei de la termodinàmica estableix que "el canvi d'entropia es considera no negatiu".
O
L'energia de l'univers es va movent gradualment cap a un estat de desordre

Declaració: Respecteu l'original, els bons articles meriteixen ser compartits, si hi ha infracció de drets d'autor contacteu per eliminar-lo.