Entalpie entropie et la deuxième loi de la thermodynamique

L'objectif est de développer une compréhension de base des concepts suivants :

• Énergie interne et Premier Principe de la Thermodynamique

• Le processus cyclique et arbitraire d'un système

• Réversibilité et Irréversibilité

• Entropie et Enthalpie

• Deuxième Principe de la Thermodynamique

Énergie interne et Premier Principe de la Thermodynamique

Lorsque l'énergie d'une molécule à l'intérieur d'un système est associée à la propriété du système, elle est appelée Énergie Interne (u).
L'énergie ne peut ni être créée ni être détruite, et sur cette base, l'énergie interne (u) du système change chaque fois que l'énergie franchit la frontière du système.
Ainsi, le premier principe de la thermodynamique peut être exprimé comme suit lorsque la chaleur/travail interagit avec le système.

Dans l'équation ci-dessus, u est l'énergie interne par unité de masse, et q et w sont respectivement la chaleur et le travail par unité de masse. La convention de signe adoptée dans l'équation ci-dessus est :
dq > 0 (considéré comme positif) ⇒ Transfert de chaleur vers le système
dq < 0 (considéré comme négatif) ⇒ Transfert de chaleur hors du système dw > 0 (considéré comme positif) ⇒ Travail effectué par le système
dw < 0 (considéré comme négatif) ⇒ Travail effectué sur le système

Processus cyclique et arbitraire d'un système

L'une des formes importantes du Premier Principe de la Thermodynamique est obtenue lorsque

Nous intégrons l'équation ci-dessus pour un processus cyclique.

Un système est dit en processus cyclique lorsqu'il revient à son état initial après avoir subi des changements aléatoires en raison de la chaleur ou du travail.

Points à considérer :

1. L'intégration de toute différentielle de propriété d'état est la différence de ses limites.

2. L'état final est le même que l'état initial et il n'y a pas de changement dans l'énergie interne du système.

Ainsi, lorsque

L'état initial et final de l'énergie interne dans l'équation ci-dessus est représenté par i et f. En substituant cela dans l'équation (1), alors,

L'équation (2) représente l'intégrale de tout le travail effectué par le système ou le travail net effectué par le système est égal à l'intégrale de tout le transfert de chaleur dans le système. Thermodynamique de l'ingénierie explore davantage les concepts de systèmes et de processus.

Processus arbitraire d'un système

Il s'agit de la conséquence du Premier Principe de la Thermodynamique et est lié à l'équation (1) si un système implique un processus arbitraire.

Dans cette équation, q et w sont respectivement le transfert de chaleur net et le travail net pour le processus, tandis que uf et ui sont les valeurs finales et initiales de l'énergie interne (u). Dans un système adiabatique rigide et isolé (w = 0, q = 0), son énergie interne (u) reste inchangée. Alors, à partir de l'éq (2) d'un processus cyclique.

Réversibilité et Irréversibilité

On dit qu'un système subit un processus lorsque son état initial change à l'état final. Des propriétés comme la pression, le volume, l'enthalpie, la température, l'entropie, etc., changent pendant un processus thermodynamique. La deuxième loi de la thermodynamique classe les processus en deux catégories

• Processus idéaux ou réversibles

• Processus naturels ou irréversibles

Si les variations de température (t) et de pression (p) sont infimes dans un système qui subit un processus, le processus peut être qualifié d'états proches de l'équilibre ou approchant la réversibilité.
Le processus est dit réversible-internement si l'état initial est restauré dans le sens inverse.
Le processus est dit réversible-extérieurement si l'environnement accompagnant le changement peut également être inversé dans l'ordre.
Un processus réversible est celui qui est réversible à la fois internement et extérieurement.
Pour mesurer le succès des processus réels, les professionnels utilisent le processus réversible comme mesure de comparaison et pour rapprocher les processus réels et actuels de la réversibilité en réduisant les pertes afin d'augmenter l'efficacité des processus.

Irréversibilité

Lorsque les processus réels ne répondent pas aux exigences de la réversibilité, le processus est appelé irréversible.
Dans un processus irréversible, l'état initial du système et de l'environnement ne peut pas être ramené à l'état initial à partir de l'état final. L'entropie du système augmente fortement dans un processus irréversible et la valeur ne peut pas être ramenée à la valeur initiale à partir de la valeur finale.
L'irréversibilité persiste en raison des variations de pression, de composition, de température, principalement causées par le transfert de chaleur, la friction dans les solides et les liquides, la réaction chimique. Les professionnels s'efforcent de réduire les effets de l'irréversibilité dans les processus et les mécanismes.

Entropie et Enthalpie

Comme l'énergie interne, l'entropie et l'enthalpie sont des propriétés thermodynamiques. L'entropie est représentée par le symbole s et le changement d'entropie Δs en kJ/kg-K. L'entropie est un état de désordre. L'entropie est le sujet de la deuxième loi de la thermodynamique, qui décrit le changement d'entropie dans le système et l'environnement par rapport à l'Univers.
L'entropie est définie comme le rapport du transfert de chaleur à la température absolue dans un système pour un chemin thermodynamique réversible.

Où, qrev indique le transfert de chaleur le long d'un chemin réversible.
L'enthalpie (h) est une propriété d'état et est définie comme,

Où, h est l'enthalpie spécifique, u est l'énergie interne spécifique, v est le volume spécifique, p est la pression.
À partir de l'équation (1)

Par conséquent

En différenciant l'éq (4) et en la substituant dans l'équation ci-dessus, alors

Les deux équations ci-dessus sont liées aux changements d'entropie pour les processus réversibles en raison des changements d'énergie interne et de volume dans la première et aux changements d'enthalpie et de pression dans la seconde équation.
Puisque toutes les quantités dans ces deux équations sont des propriétés d'état, l'entropie est également une propriété thermodynamique.

Deuxième Loi de la Thermodynamique

La deuxième loi de la thermodynamique est connue pour décrire ses limites sur l'univers en termes de ce que l'univers peut faire. La 2ème Loi traite davantage des inefficacités, de la dégradation et de la dégénérescence.
Nous effectuons des activités dans notre vie quotidienne qui, par nature, impliquent des processus inefficaces et irréversibles.
La 2ème loi de la thermodynamique peut être plus commodément exprimée en termes d'entropie :
L'entropie est définie comme le changement infinitésimal d'entropie d'un système (dS) qui est le rapport de la quantité de chaleur mesurée qui a pénétré dans le système fermé (dqrev) et la température commune (T) au point où le transfert de chaleur a eu lieu.

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que "le changement d'entropie est considéré comme non négatif".
OU
L'énergie de l'univers tend progressivement vers un état de désordre

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