Entalpia Entropia ja termodynamiikan toinen laki

Tavoitteena on kehittää perustavanlaatuista ymmärrystä seuraavista käsitteistä:

• Sisäinen energia ja termodynamiikan ensimmäinen laki

• Järjestelmän syklinen ja mielivaltainen prosessi

• Kääntyvyys ja kääntymättömyys

• Entropia ja entalpia

• Termodynamiikan toinen laki

Sisäinen energia ja termodynamiikan ensimmäinen laki

Kun järjestelmän molekyylin energia liittyy järjestelmän ominaisuuteen, sitä kutsutaan sisäiseksi energiaksi (u).
Energiaa ei voida luoda eikä tuhota, ja tämän periaatteen mukaan järjestelmän sisäinen energia (u) muuttuu, kun energia kulkee järjestelmän rajan yli.
Näin termodynamiikan ensimmäinen laki voidaan ilmaista, kun lämpö- tai työ vaikuttaa järjestelmään.

Yllä olevassa yhtälössä u on sisäinen energia yksikkömassaa kohti, ja q ja w ovat lämpöä ja työtä yksikkömassaa kohti vastaavasti. Yllä olevassa yhtälössä käytetty merkkisopimus on:
dq > 0 (positiivisena) ⇒ Lämpö siirtyy järjestelmään
dq < 0 (negatiivisena) ⇒ Lämpö siirtyy pois järjestelmästä dw > 0 (positiivisena) ⇒ Järjestelmä suorittaa työtä
dw < 0 (negatiivisena) ⇒ Työtä tehdään järjestelmälle

Järjestelmän syklinen ja mielivaltainen prosessi

Yksi termodynamiikan ensimmäisen lain tärkeimmistä muodoista saadaan, kun

Integroimme yllä olevan yhtälön sykliselle prosessille.

Järjestelmä sanotaan olevan syklisten prosessien käsittelyssä, kun se palaa alkuperäiseen tilaansa satunnaisista muutoksista lämpön tai työn vuoksi.

Huomioitavaa:

1. Minkä tahansa tilamuuttujan differentiaalin integraali on sen rajojen erotus.

2. Lopullinen tila on sama kuin alkuperäinen tila, eikä järjestelmän sisäistä energiaa muuteta.

Näin ollen, kun

Yllä olevassa yhtälössä sisäisen energian alku- ja lopputila on edustettu i:llä ja f:llä. Sijoittamalla yllä oleva yhtälö (1):een, saadaan:

Yhtälö (2) edustaa kaiken järjestelmän tekemän työn integraalia, eli järjestelmän tekemä netto-työ on yhtä suuri kuin kaikki järjestelmään siirtynyt lämpö. Insinööri-termodynamiikka tutkii järjestelmien ja prosessien käsitteitä syvällisemmin.

Järjestelmän mielivaltainen prosessi

Se on termodynamiikan ensimmäisen lain tulosta ja liittyy yhtälöön (1), jos järjestelmä käsittää mielivaltaisen prosessin.

Tässä yhtälössä q ja w ovat prosessin nettolämpö ja nettotyö, kun taas uf ja ui ovat sisäisen energian (u) loppuarvo ja alkuarvo. Tiiviissä ja eristetyssä adiaabattisessa järjestelmässä (w = 0, q = 0) sen sisäinen energia (u) pysyy muuttumattomana. Tällöin yhtälöstä (2) syklisten prosessien käsittelyssä.

Kääntyvyys ja kääntymättömyys

Järjestelmä sanotaan käymään prosessin läpi, kun sen alkutila muuttuu lopputilaksi. Paine, tilavuus, entalpia, lämpötila, entropia jne. muuttuvat termodynaamisessa prosessissa. Termodynamiikan toinen laki luokittelee prosessit kahden pääryhmän alle

• Ideaalit tai kääntyvät prosessit

• Luonnolliset tai kääntymättömät prosessit

Jos lämpötilan (t) ja paineen (p) vaihtelut ovat äärettömän pieniä järjestelmässä, joka käy prosessin läpi, prosessi voidaan pitää lähestyvän kääntyvyyttä.
Prosessi on kääntyvä sisäisesti, jos alkuperäinen tila palautetaan käänteisessä suunnassa.
Prosessi on kääntyvä ulkoisesti, jos ympäristön muutos, joka prosessin myötä tapahtuu, voidaan myös kääntää järjestyksessä.
Kääntyvä prosessi on sellainen, joka on kääntyvä sekä sisäisesti että ulkoisesti.
Jotta voitaisiin mitata todellisten prosessien menestystä, ammattilaiset käyttävät kääntyviä prosesseja vertailukohtana ja pyrkivät lähentämään todellisia ja itseisiä prosesseja kääntyvyyteen vähentämällä häviöitä ja lisäämällä prosessien tehokkuutta.

Kääntymättömyys

Kun todelliset prosessit eivät täytä kääntyvyyden vaatimuksia, prosessia kutsutaan kääntymättömäksi.
Kääntymättömässä prosessissa järjestelmän ja ympäristön alkutila ei voi palautua alkutilaan lopputilasta. Järjestelmän entropia kasvaa huomattavasti kääntymättömässä prosessissa, ja arvoa ei voida palauttaa lopputilasta alkutilaan.
Kääntymättömyys jatkuu paineen, koostumuksen, lämpötilan, koostumuksen vaihteluista, joita aiheuttavat lämpösiirto, kitka kiinteissä ja nestemäisissä aineissa, kemialliset reaktiot. Ammattilaiset ovat kiireisiä pyrkimässä vähentämään kääntymättömyyden vaikutuksia prosesseissa ja mekanismeissa.

Entropia ja entalpia

Kuten sisäinen energia, entropia ja entalpia ovat termodynaamisia ominaisuuksia. Entropia on symbolina s, ja entropian muutos Δs on kJ/kg-K. Entropia on häiriintymisen tila. Entropia on termodynamiikan toisen lain aihe, joka kuvaa entropian muutosta järjestelmässä ja ympäristössä universumin näkökulmasta.
Entropia on määritelty suhteena lämpösiirtoon absoluuttiseen lämpötilaan järjestelmässä kääntyvällä termodynaamisella polulla.

Missä, qrev tarkoittaa lämpösiirtymää kääntyvällä polulla.
Enthalpia (h) on tilan ominaisuus ja määritellään seuraavasti,

Missä, h on spesifinen entalpia, u on spesifinen sisäinen energia, v on spesifinen tilavuus, p on paine.
Yhtälöstä (1)

Näin ollen

Erottamalla yhtälön (4) ja sijoittamalla se yllä olevaan yhtälöön, saadaan

Molemmat yllä olevat yhtälöt liittyvät entropian muutokseen kääntyville prosesseille sisäisen energian ja tilavuuden muutoksen vuoksi ensimmäisessä yhtälössä ja entalpin ja paineen muutoksen vuoksi jälkimmäisessä yhtälössä.
Koska kaikki nämä määrät ovat tilan ominaisuuksia, entropia on myös termodynaaminen ominaisuus.

Termodynamiikan toinen laki

Termodynamiikan toinen laki on tunnettu siitä, että se kuvaa rajat universumille siitä, mitä universumi voi tehdä. 2nd laki käsittelee enemmän tehottomuutta, rappeutumista ja heikkenemistä.
Päivittäisessä elämässämme teemme asioita, jotka ovat luonteeltaan tehottomia ja kääntymättömiä.
Toisen termodynamiikan lain voidaan esittää helpommin entropian avulla:
Entropia määritellään järjestelmän entropian infinitesimaalisena muutoksena (dS) on mittauslämpö, joka on siirtynyt suljetulle järjestelmälle (dqrev) ja yhteinen lämpötila (T) pisteessä, jossa lämpösiirto tapahtui.

Termodynamiikan toinen laki toteaa, että "Entropian muutos pidetään ei-negatiivisena".
TAI
Universumin energia siirtyy asteittain häiriintyneeseen tilaan

Lausunto: Kunnioita alkuperäistä, hyviä artikkeleita on jaettava, jos on loukkausta, ole yhtey