Enthalpie, Entropie und das zweite Hauptsatz der Thermodynamik
Das Ziel ist es, ein grundlegendes Verständnis der folgenden Konzepte zu entwickeln:
Innere Energie und der erste Hauptsatz der Thermodynamik
Der zyklische und willkürliche Prozess eines Systems
Reversibilität und Irreversibilität
Entropie und Enthalpie
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik
Innere Energie und der erste Hauptsatz der Thermodynamik
Wenn die Energie eines Moleküls innerhalb eines Systems mit den Eigenschaften des Systems verbunden ist, wird sie als innere Energie (u) bezeichnet.
Energie kann weder geschaffen noch vernichtet werden, und basierend auf diesem Prinzip ändert sich die innere Energie (u) des Systems, wenn Energie die Systemgrenze überquert.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik kann wie folgt ausgedrückt werden, wenn Wärme/Arbeit mit dem System interagiert.
In der obigen Gleichung ist u die innere Energie pro Einheitsmasse und q und w sind die Wärme und Arbeit pro Einheitsmasse. Die in der obigen Gleichung angenommene Vorzeichenkonvention lautet:
dq > 0 (als positiv betrachtet) ⇒ Wärmeübertragung zum System
dq < 0 (als negativ betrachtet) ⇒ Wärmeübertragung vom System dw > 0 (als positiv betrachtet) ⇒ Arbeit, die vom System geleistet wird
dw < 0 (als negativ betrachtet) ⇒ Arbeit, die auf das System ausgeübt wird
Zyklischer und willkürlicher Prozess eines Systems
Eine wichtige Form des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik ergibt sich, wenn
Wir integrieren die obige Gleichung für einen zyklischen Prozess.
Ein System durchläuft einen zyklischen Prozess, wenn nach zufälligen Veränderungen aufgrund von Wärme/Arbeit wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt.
Zu beachten sind:
Die Integration einer Differenzialeigenschaft eines Zustands ist die Differenz ihrer Grenzen.
Der Endzustand ist identisch mit dem ursprünglichen Zustand, und es findet keine Änderung der inneren Energie des Systems statt.
Daher, wenn
Der Anfangs- und Endzustand der inneren Energie in der obigen Gleichung wird durch i und f dargestellt. Setzt man dies in Gleichung (1) ein, dann,
Gleichung (2) stellt das Integral aller Arbeit dar, die vom System geleistet wird, oder die Nettowirkung, die gleich dem Integral aller Wärmeübertragung in das System ist. Technische Thermodynamik erforscht weiterhin die Konzepte von Systemen und Prozessen.
Willkürlicher Prozess eines Systems
Es ist das Ergebnis des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik und steht in Beziehung zur Gleichung (1), wenn ein System einen willkürlichen Prozess durchläuft.
In dieser Gleichung sind q und w die netto übertragenen Wärme und die netto geleistete Arbeit für den Prozess, während uf und ui die End- und Anfangswerte der inneren Energie (u) sind. In einem starren und isolierten adiabatischen System (w = 0, q = 0) bleibt seine innere Energie (u) unverändert. Dann aus Gleichung (2) eines zyklischen Prozesses.
Reversibilität und Irreversibilität
Ein System durchläuft einen Prozess, wenn sein Anfangszustand in den Endzustand wechselt. Eigenschaften wie Druck, Volumen, Enthalpie, Temperatur, Entropie usw. ändern sich während eines thermodynamischen Prozesses. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik kategorisiert die Prozesse in zwei Gruppen
Ideale oder reversible Prozesse
Natürliche oder irreversible Prozesse
Wenn die Temperatur- (t) und Druckvariationen (p) in einem System, das einen Prozess durchläuft, infinitesimal sind, kann der Prozess als nahezu Gleichgewichtszustände oder Annäherung an Reversibilität bezeichnet werden.
Der Prozess gilt als intern reversibel, wenn der ursprüngliche Zustand in umgekehrter Richtung wiederhergestellt wird.
Der Prozess gilt als extern reversibel, wenn die Umgebung, die den Prozess begleitet, auch in umgekehrter Reihenfolge wiederhergestellt werden kann.
Ein reversibler Prozess ist einer, der sowohl intern als auch extern reversibel ist.
Um den Erfolg realer Prozesse zu messen, verwenden Fachleute den reversiblen Prozess als Maßstab, um reale und tatsächliche Prozesse näher an die Reversibilität heranzuführen, indem sie Verluste reduzieren, um die Effizienz der Prozesse zu erhöhen.
Irreversibilität
Wenn reale Prozesse die Anforderungen der Reversibilität nicht erfüllen, nennt man die Prozesse irreversibel.
Bei einem irreversiblen Prozess können der Anfangszustand des Systems und der Umgebung nicht vom Endzustand zum Anfangszustand zurückgeführt werden. Die Entropie des Systems steigt bei einem irreversiblen Prozess stark an, und der Wert kann nicht vom Endwert auf den Anfangswert zurückgeführt werden.
Irreversibilität tritt aufgrund von Variationen im Druck, Zusammensetzung, Temperatur, Zusammensetzung, hauptsächlich verursacht durch Wärmeübertragung, Reibung in Festkörpern und Flüssigkeiten, chemische Reaktionen. Fachleute bemühen sich, die Auswirkungen der Irreversibilität in Prozessen und Mechanismen zu reduzieren.
Entropie und Enthalpie
Wie die innere Energie sind Entropie und Enthalpie thermodynamische Eigenschaften. Die Entropie wird durch das Symbol s dargestellt und die Änderung der Entropie Δs in kJ/kg-K. Entropie ist ein Zustand der Unordnung. Die Entropie ist das Thema des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der die Entropieänderung im System und in der Umgebung in Bezug auf das Universum beschreibt.
Entropie ist definiert als das Verhältnis der Wärmeübertragung zur absoluten Temperatur in einem System für einen reversiblen thermodynamischen Pfad.
Wobei, qrev die Wärmeübertragung entlang eines reversiblen Pfades bezeichnet.
Enthalpie (h) ist eine Zustandseigenschaft und definiert als,
Wobei, h die spezifische Enthalpie, u die spezifische innere Energie, v das spezifische Volumen und p der Druck ist.
Aus Gleichung (1)
Daher
Durch Differentiation von Gleichung (4) und Einsetzen in die obige Gleichung, dann
Beide der obigen Gleichungen beziehen sich auf Änderungen der Entropie bei reversiblen Prozessen aufgrund von Änderungen der inneren Energie und des Volumens in der ersten Gleichung und aufgrund von Änderungen der Enthalpie und des Drucks in der zweiten Gleichung.
Da alle Größen in diesen beiden Gleichungen Zustandeigenschaften sind, ist die Entropie ebenfalls eine thermodynamische Eigenschaft.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt seine Grenzen für das Universum in Bezug darauf, was das Universum tun kann. Der 2te Hauptsatz befasst sich eher mit Ungenauigkeiten, Zerfall und Degeneration.
Wir führen Tätigkeiten im Alltag durch, die von Natur aus ineffiziente und irreversible Prozesse beinhalten.
Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik kann bequemer in Bezug auf die Entropie ausgedrückt werden:
Entropie definiert als infinitesimale Änderung der Entropie eines Systems (dS) ist das Verhältnis der gemessenen Menge der Wärme, die in das abgeschlossene System (dqrev) eingetreten ist, und der gemeinsamen Temperatur (T) am Punkt, an dem die Wärmeübertragung stattgefunden hat.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass „die Entropieänderung als nicht negativ betrachtet wird“. ODER
Die Energie des Universums bewegt sich allmählich in Richtung eines Zustands der Unordnung.
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