هدف از این است که مفاهیم زیر را درک کنیم:
انرژی داخلی و قانون اول ترمودینامیک
فرآیند چرخهای و دلخواه سیستم
معکوسپذیری و غیرمعکوسپذیری
آنتروپی و انرژی گرمایی
قانون دوم ترمودینامیک
وقتی انرژی مولکولهای درون یک سیستم با خصوصیات سیستم مرتبط است، آن را انرژی داخلی (u) مینامند.
انرژی نمیتواند خلق شود یا نابود شود و بر اساس این اصل، انرژی داخلی (u) هر زمان که انرژی از مرز سیستم عبور میکند تغییر میکند.
بنابراین قانون اول ترمودینامیک میتواند به صورت زیر بیان شود وقتی گرما یا کار با سیستم تعامل دارد.
در معادله بالا u انرژی داخلی بر واحد جرم و q و w به ترتیب گرما و کار بر واحد جرم هستند. قرارداد علامت در معادله بالا:
dq > 0 (به عنوان مثبت در نظر گرفته میشود) ⇒ انتقال گرما به سیستم
dq < 0 (به عنوان منفی در نظر گرفته میشود) ⇒ انتقال گرما از سیستم dw > 0 (به عنوان مثبت در نظر گرفته میشود) ⇒ کار انجام شده توسط سیستم
dw < 0 (به عنوان منفی در نظر گرفته میشود) ⇒ کار انجام شده روی سیستم
یکی از فرمهای مهم قانون اول ترمودینامیک زمانی بدست میآید که
معادله فوق را برای یک فرآیند چرخهای ادغام میکنیم.
سیستم زمانی گفته میشود که در فرآیند چرخهای است، وقتی پس از تغییرات تصادفی به دلیل گرما یا کار به حالت اولیه خود باز میگردد.
نکاتی که باید مد نظر باشد:
انتگرال گیری از هر تغییر دیفرانسیلی از خصوصیات حالت، تفاوت حدود آن است.
حالت نهایی مشابه حالت اولیه است و تغییری در انرژی داخلی سیستم وجود ندارد.
بنابراین وقتی
حالت اولیه و نهایی انرژی داخلی در معادله بالا با i و f نشان داده میشود. با جایگذاری آن در معادله (1)، آنگاه
معادله (2) نمایانگر انتگرال تمام کار انجام شده توسط سیستم یا کار خالص انجام شده توسط سیستم برابر با انتگرال تمام انتقال گرما به سیستم است. مهندسی ترمودینامیک مفاهیم سیستمها و فرآیندها را بیشتر بررسی میکند.
این نتیجه قانون اول ترمودینامیک است و مربوط به معادله (1) است اگر سیستم شامل یک فرآیند دلخواه باشد.
در این معادله q و w به ترتیب گرما و کار خالص برای فرآیند هستند، در حالی که uf و ui مقادیر نهایی و اولیه انرژی داخلی (u) هستند. در یک سیستم سخت و جدا شده ایزوتروپیک (w = 0, q = 0)، انرژی داخلی (u) تغییر نمیکند. بنابراین از معادله (2) فرآیند چرخهای.
وقتی حالت اولیه سیستم به حالت نهایی تغییر میکند، سیستم در حال فرآیند است. خصوصیات مانند فشار، حجم، انرژی گرمایی، دما، آنتروپی و غیره در طول یک فرآیند ترمودینامیکی تغییر میکنند. قانون دوم ترمودینامیک فرآیندها را به دو دسته تقسیم میکند
فرآیندهای ایدهآل یا معکوسپذیر
فرآیندهای طبیعی یا غیرمعکوسپذیر
اگر تغییرات دما (t) و فشار (p) در یک سیستم که در حال فرآیند است، بسیار کوچک باشد، آن فرآیند میتواند به عنوان حالتهای نزدیک به تعادل یا نزدیک به معکوسپذیری در نظر گرفته شود.
فرآیند زمانی معکوسپذیر داخلی است اگر حالت اولیه در جهت معکوس بازگردانده شود.
فرآیند زمانی معکوسپذیر خارجی است اگر محیط همراه با تغییر میتواند در دنباله معکوس بازگردانده شود.
فرآیند معکوسپذیر هم در داخل و هم در خارج معکوسپذیر است.
برای اندازهگیری موفقیت فرآیندهای واقعی، متخصصان از فرآیند معکوسپذیر به عنوان معیار برای مقایسه و نزدیک کردن فرآیندهای واقعی و واقعی به معکوسپذیری با کاهش ضایعات برای افزایش کارایی فرآیندها استفاده میکنند.
وقتی فرآیندهای واقعی نمیتوانند شرایط معکوسپذیری را برآورده کنند، آن فرآیند غیرمعکوسپذیر نامیده میشود.
در فرآیند غیرمعکوسپذیر حالت اولیه سیستم و محیط نمیتواند از حالت نهایی به حالت اولیه بازگردانده شود. آنتروپی سیستم در فرآیند غیرمعکوسپذیر به شدت افزایش مییابد و مقدار آن نمیتواند از حالت نهایی به حالت اولیه بازگردانده شود.
غیرمعکوسپذیری به دلیل تغییرات فشار، ترکیب، دما، ترکیب که از انتقال گرما، اصطکاک در جامدات و مایعات، واکنشهای شیمیایی ناشی میشود، وجود دارد. متخصصان در حال تلاش برای کاهش اثرات غیرمعکوسپذیری در فرآیندها و مکانیزمها هستند.
مانند انرژی داخلی، آنتروپی و انرژی گرمایی خصوصیات ترمودینامیکی هستند. آنتروپی با نماد s و تغییر آنتروپی Δs در kJ/kg-K نمایش داده میشود. آنتروپی یک حالت بینظمی است. آنتروپی موضوع قانون دوم ترمودینامیک است که تغییر آنتروپی در سیستم و محیط با توجه به جهان را توصیف میکند.
آنتروپی به عنوان نسبت انتقال گرما به دمای مطلق در یک سیستم برای یک مسیر ترمودینامیکی معکوسپذیر تعریف میشود.
که در آن، qrev نشاندهنده انتقال گرما در طول یک مسیر معکوسپذیر است.
انرژی گرمایی (h) یک خاصیت حالت است و به صورت زیر تعریف میشود،
که در آن h انرژی گرمایی خاص، u انرژی داخلی خاص، v حجم خاص و p فشار است.
از معادله (1)
بنابراین
با دیفرانسیلگیری از معادله (4) و جایگذاری آن در معادله فوق، آنگاه
هر دو معادله فوق مربوط به تغییرات آنتروپی برای فرآیندهای معکوسپذیر به دلیل تغییرات انرژی داخلی و حجم در معادله اول و به دلیل تغییرات انرژی گرمایی و فشار در معادله دوم هستند.
از آنجا که تمامی مقادیر در این دو معادله خصوصیات حالت هستند، بنابراین آنتروپی نیز یک خاصیت ترمودینامیکی است.
قانون دوم ترمودینامیک به دلیل توصیف محدودیتهای جهان در مورد آنچه جهان میتواند انجام دهد شناخته میشود. قانون دوم بیشتر در مورد مواجهه با ناکاراییها، فساد و تخریب است.
در زندگی روزمره ما فعالیتهایی داریم که به طبیعت شامل فرآیندهای ناکارآمد
