Entalpia, Entrópia, És A Hőtan II. Törvénye
A cél az alábbi fogalmak alapjainak megértésének fejlesztése:
Belső energia és a Térmodinamika Első Törvénye
A rendszer ciklikus és tetszőleges folyamata
Fordíthatóság és Fordíthatatlanság
Entrópia és Entalpia
Térmodinamika Második Törvénye
Belső Energia és a Térmodinamika Első Törvénye
Amikor egy molekula energiája a rendszer tulajdonságával van összefüggésben, akkor belső energiának (u) nevezzük.
Az energia nem hozható létre, sem semmisülhet el, és ezen elv alapján a rendszer belső energiája (u) változik, amikor energia átkel a rendszer határán.
Tehát a térmodinamika első törvényét a következőképpen fejezhetjük ki, ha hőmennyiség vagy munka interakcióba kerül a rendszerrel.
A fenti egyenletben u a belső energia egységnyi tömegre, q és w pedig a hőmennyiség és a munka egységnyi tömegre vonatkozóan. Az egyenletben használt jelölések:
dq > 0 (pozitív tekintettel) ⇒ Hőátadás a rendszernél
dq < 0 (negatív tekintettel) ⇒ Hőátadás a rendszerből dw > 0 (pozitív tekintettel) ⇒ Munka a rendszer által végzett
dw < 0 (negatív tekintettel) ⇒ Munka a rendszerre végzett
Ciklikus és Tetszőleges Folyamat a Rendszerben
Az első térmodinamikai törvény egy fontos formája, amikor
Integráljuk a fenti egyenletet egy ciklikus folyamat esetén.
Egy rendszert ciklikus folyamatban mondjuk, ha véletlenszerű változások után hőmennyiség vagy munka miatt visszaér a kezdeti állapotához.
Fontos pontok:
Bármely állapotfüggő tulajdonság differenciáljának integrálja a határok különbsége.
A végső állapot megegyezik az eredeti állással, nincs változás a rendszer belső energiájában.
Tehát, ha
A fenti egyenletben i és f jelölik a belső energia kezdeti és végső állapotát. Ha behelyettesítjük ezt az (1) egyenletbe, akkor:
Az (2) egyenlet a rendszer által végzett összes munka integráljának, vagy a rendszer által végzett nettó munka egyenlőségét adja a rendszerbe átadott összes hőmennyiség integráljával. Mérnöki térmomechanika tovább vizsgálja a rendszerek és folyamatok fogalmait.
Tetszőleges Folyamat a Rendszerben
Ez az első térmodinamikai törvény eredménye, és kapcsolódik az (1) egyenlethez, ha a rendszer tetszőleges folyamatot tartalmaz.
Ebben az egyenletben q és w a folyamat netto hőátadása és munkája, uf és ui pedig a belső energia (u) végső és kezdeti értékei. Egy merev és izolált adiabatikus rendszerben (w = 0, q = 0), a belső energia (u) nem változik. Ezután az (2) egyenletből egy ciklikus folyamat esetén.
Fordíthatóság és Fordíthatatlanság
Egy rendszert úgy mondjuk, hogy folyamaton megy keresztül, ha a kezdeti állapotából a végső állapotába vált. A nyomás, a térfogam, az entalpia, a hőmérséklet, az entrópia stb. tulajdonságok változnak a térmodinamikai folyamat során. A térmodinamika második törvénye két kategóriába osztja a folyamatokat
Ideális vagy fordítható folyamatok
Természetes vagy fordíthatatlan folyamatok
Ha a hőmérséklet (t) és a nyomás (p) variációi végtelenül kisesek egy folyamatban lévő rendszerben, akkor a folyamat közel lehet az egyensúlyi állapotokhoz, vagy közelebb kerülhet a fordíthatósághoz.
A folyamat belsőleg fordítható, ha a kezdeti állapot visszaáll fordított irányban.
A folyamat külsőleg fordítható, ha a változást kísérő környezet is visszafordítható sorrendben.
A fordítható folyamat olyan, ami mind belsőleg, mind külsőleg fordítható.
A valós folyamatok sikerességének méréséhez a szakemberek a fordítható folyamatokat használják referenciaként, hogy a valós és tényleges folyamatokat közelebb vigyék a fordíthatósághoz, csökkentve a veszteségeket, és növelve a folyamatok hatékonyságát.
Fordíthatatlanság
Amikor a valós folyamatok nem teljesítik a fordíthatóság követelményeit, akkor a folyamatot fordíthatatlannak nevezik.
A fordíthatatlan folyamatban a rendszer és a környezet kezdeti állapota nem vihető vissza a végső állapotból. A rendszer entrópiája szélesen növekszik a fordíthatatlan folyamat során, és az érték nem vihető vissza a kezdeti értékre a végső értékből.
A fordíthatatlanság fennáll a nyomás, a összetétel, a hőmérséklet, a összetétel változása miatt, főként a hőátadás, a szilárd és folyékony testek közötti súrlódás, a kémiai reakciók miatt. A szakemberek erőfeszítéseket tesznek annak érdekében, hogy csökkentsék a fordíthatatlanság hatásait a folyamatokban és mechanizmusokban.
Entrópia és Entalpia
Az entrópia és az entalpia, mint a belső energia, térmomechanikai tulajdonságok. Az entrópia jele s, és az entrópia változása Δs kJ/kg-K-ban. Az entrópia a rendetlenség állapota. Az entrópia a második térmodinamikai törvény tárgya, amely leírja az entrópia-változást a rendszerben és a környezetben a világegyetem szerint.
Az entrópia definíciója a hőátadás és az abszolút hőmérséklet aránya a rendszerben egy fordítható térmodinamikai útvonal mentén.
Ahol, qrev jelöli a hőátadást egy fordítható útvonal mentén.
Az entalpia (h) az állapot tulajdonsága, és a következőképpen definiálható:
Ahol, h a specifikus entalpia, u a specifikus belső energia, v a specifikus térfogam, p a nyomás.
Az (1) egyenletből:
Tehát
Az (4) egyenlet differenciálásával és behelyettesítésével a fenti egyenletbe, akkor:
Mindkét egyenlet kapcsolódik a belső energia és a térfogam változásai által okozott entrópia-változáshoz, illetve az entalpia és a nyomás változásai által okozott entrópia-változáshoz.
Mivel az egyenletekben szereplő összes mennyiség állapotfüggő tulajdonság, az entrópia is térmomechanikai tulajdonság.
Térmodinamika Második Törvénye
A térmodinamika második törvénye ismert azzal, hogy korlátozásokat ír le a világegyetemre vonatkozóan, hogy mit tehet a világegyetem. A 2nd törvény inkább a hatékonysági hiányokkal, a romlásokkal és a degradációval foglalkozik.
Napi életünk során olyan tevékenységeket végzünk, amelyek természete szerint ineffektívek és fordíthatatlanok.
A 2. térmodinamikai törvényt könnyebb kifejezni az entrópia segítségével:
Az entrópia definíciója, hogy a rendszer entrópiájának (dS) infinitezimális változása a rendszerbe bejutó (dqrev) mérhető hőmennyiség és a hőátadás helyén mért közös hőmérséklet (T) aránya.
A térmodinamika második törvénye kimondja, hogy „Az entrópia-változást nem negatívnak tekintjük”.
VAGY
A világegyetem energiaja
