انرژی داخلی، آنتروپی و قانون دوم ترمودینامیک

هدف از این است که درک پایه‌ای از مفاهیم زیر را توسعه دهیم:

• انرژی داخلی و قانون اول ترمودینامیک

• فرآیندهای چرخه‌ای و دلخواه سیستم

• معکوس‌پذیری و غیرمعکوس‌پذیری

• آنتروپی و انثالپی

• قانون دوم ترمودینامیک

انرژی داخلی و قانون اول ترمودینامیک

وقتی انرژی یک مولکول درون یک سیستم با خصوصیات سیستم مرتبط است، به آن انرژی داخلی (u) گفته می‌شود.
انرژی نمی‌تواند خلق 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 حرارت یا کار با سیستم تعامل دارد.

در معادله فوق u انرژی داخلی بر واحد جرم و q و w به ترتیب حرارت و کار بر واحد جرم هستند. قرارداد علامت در معادله فوق به صورت زیر است:
dq > 0 (مثبت در نظر گرفته می‌شود) ⇒ انتقال حرارت به سیستم
dq < 0 (منفی در نظر گرفته می‌شود) ⇒ انتقال حرارت از سیستم dw > 0 (مثبت در نظر گرفته می‌شود) ⇒ کار انجام شده توسط سیستم
dw < 0 (منفی در نظر گرفته می‌شود) ⇒ کار انجام شده روی سیستم

فرآیندهای چرخه‌ای و دلخواه سیستم

یکی از فرم‌های مهم قانون اول ترمودینامیک زمانی حاصل می‌شود که

ما معادله فوق را برای یک فرآیند چرخه‌ای ادغام می‌کنیم.

یک سیستم زمانی گفته می‌شود که در فرآیند چرخه‌ای است، وقتی که پس از تغییرات تصادفی به دلیل حرارت یا کار به حالت اولیه خود بازمی‌گردد.

نکاتی که باید در نظر گرفت:

1. انتگرال گیری از هر تغییر وضعیت دیفرانسیلی تفاوت حدود آن است.

2. حالت نهایی مشابه حالت اولیه است و تغییری در انرژی داخلی سیستم وجود ندارد.

بنابراین وقتی

حالت اولیه و نهایی انرژی داخلی در معادله فوق با i و f نشان داده می‌شود. با جایگذاری بالا در معادله (1)، آنگاه

معادله (2) نمایانگر انتگرال تمام کارهای انجام شده توسط سیستم یا کار خالص انجام شده توسط سیستم برابر با انتگرال تمام انتقالات حرارتی به سیستم است. ترمودینامیک مهندسی مفاهیم سیستم‌ها و فرآیندها را بیشتر بررسی می‌کند.

فرآیند دلخواه سیستم

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 انتقال حرارت خالص و کار خالص فرآیند هستند، در حالی که uf و ui مقادیر نهایی و اولیه انرژی داخلی (u) هستند. در یک سیستم سخت و جدا از محیط (w = 0, q = 0)، انرژی داخلی (u) تغییر نمی‌کند. سپس از معادله (2) فرآیند چرخه‌ای.

معکوس‌پذیری و غیرمعکوس‌پذیری

وقتی حالت اولیه سیستم به حالت نهایی تغییر می‌کند، گفته می‌شود که سیستم در فرآیندی قرار دارد. خصوصیاتی مانند فشار، حجم، انثالپی، دما، آنتروپی و غیره در طول یک فرآیند ترمودینامیکی تغییر می‌کنند. قانون دوم ترمودینامیک فرآیندها را در دو دسته تقسیم می‌کند

• فرآیندهای ایده‌آل یا معکوس‌پذیر

• فرآیندهای طبیعی یا غیرمعکوس‌پذیر

اگر تغییرات دما (t) و فشار (p) در یک سیستم که در فرآیندی قرار دارد بسیار کوچک باشد، می‌توان فرآیند را به عنوان حالت‌های نزدیک تعادل یا به سمت معکوس‌پذیری در نظر گرفت.
فرآیند زمانی معکوس‌پذیر داخلی است که حالت اولیه در جهت معکوس بازگردانده شود.
فرآیند زمانی معکوس‌پذیر خارجی است که تغییرات همراه با محیط نیز می‌توانند به ترتیب معکوس بازگردانده شوند.
فرآیند معکوس‌پذیر هم داخلی و هم خارجی 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.

غیرمعکوس‌پذیری

وقتی فرآیندهای واقعی نمی‌توانند شرایط معکوس‌پذیری را برآورده کنند، فرآیند غیرمعکوس‌پذیر نامیده می‌شود.
در فرآیند غیرمعکوس‌پذیر، حالت اولیه سیستم و محیط نمی‌توانند از حالت نهایی به حالت اولیه بازگردانده شوند. 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 اصلی که توسط انتقال حرارت، اصطکاک در جامدات و مایعات، واکنش‌های شیمیایی ایجاد می‌شود، وجود دارد. متخصصان در حال تلاش برای کاهش اثرات غیرمعکوس‌پذیری در فرآیندها و مکانیزم‌ها هستند.

آنتروپی و انثالپی

مانند انرژی داخلی، آنتروپی و انثالپی خصوصیات ترمودینامیکی هستند. آنتروپی با نماد s و تغییر آنتروپی Δs در kJ/kg-K نشان داده می‌شود. آنتروپی حالتی از بی‌نظمی است. آنتروپی موضوع قانون دوم ترمودینامیک است که تغییر آنتروپی در سیستم و محیط را نسبت به جهان توصیف می‌کند.
آنتروپی به عنوان نسبت انتقال حرارت به دمای مطلق در یک سیستم برای یک مسیر ترمودینامیکی معکوس تعریف می‌شود.

که در آن، qrev نشان‌دهنده انتقال حرارت در طول یک مسیر معکوس‌پذیر است.
انثالپی (h) یک خاصیت حالت است و به صورت زیر تعریف می‌شود،

که در آن h انثالپی خاص، u انرژی داخلی خاص، v حجم خاص و p فشار است.
از معادله (1)

بنابراین

با مشتق‌گیری 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 انثالپی و فشار در معادله دوم هستند.
از آنجا که تمام مقادیر در این دو معادله خصوصیات حالت هستند، بنابراین آنتروپی نیز یک خاصیت ترمودینامیکی است.

قانون دوم ترمودینامیک

قانون دوم ترمودینامیک به دلیل توصیف محدودیت‌های جهان در مورد آنچه جهان می‌تواند انجام دهد شناخته شده است. قانون دوم بیشتر در مورد مقابله با ناکارایی‌ها، فساد و تخریب است.
ما در زندگی روزمره خود فعالیت‌هایی انجام می‌دهیم که به طبیعت شامل فرآیندهای ناکارآمد و غیرمعکوس‌پذیر هستند.
قانون دوم ترمودینامیک می‌تواند به صورت راحت‌