L'obiettivo è sviluppare una comprensione di base dei seguenti concetti:
Energia interna e Prima Legge della Termodinamica
Il processo ciclico e arbitrario di un sistema
Reversibilità e Irreversibilità
Entropia e Entalpia
Seconda Legge della Termodinamica
Quando l'energia di una molecola all'interno di un sistema è associata alla proprietà del sistema, viene definita Energia Interna (u).
L'energia non può essere creata né distrutta e, in base a questo principio, l'energia interna (u) del sistema cambia ogni volta che l'energia attraversa il confine del sistema.
Pertanto, la prima legge della termodinamica può essere espressa come segue quando calore/lavoro interagisce con il sistema.
Nella suddetta equazione, u è l'energia interna per unità di massa e q e w sono rispettivamente calore e lavoro per unità di massa. La convenzione dei segni adottata nell'equazione sopra è:
dq > 0 (considerato positivo) ⇒ Trasferimento di calore al sistema
dq < 0 (considerato negativo) ⇒ Trasferimento di calore dal sistema dw > 0 (considerato positivo) ⇒ Lavoro svolto dal sistema
dw < 0 (considerato negativo) ⇒ Lavoro svolto sul sistema
Una delle forme importanti della Prima Legge della Termodinamica è ottenuta quando
Integriamo l'equazione sopra per un processo ciclico.
Un sistema si dice in processo ciclico, quando, dopo aver subito cambiamenti casuali a causa di calore/lavoro, torna allo stato originale.
Punti da considerare:
L'integrazione di qualsiasi differenziale di proprietà di stato è la differenza dei suoi limiti.
Lo stato finale è lo stesso dello stato originale e non c'è alcun cambiamento nell'energia interna del sistema.
Pertanto, quando
Lo stato iniziale e finale dell'energia interna nell'equazione sopra è rappresentato da i e f. Sostituendo sopra nell'equazione (1), allora,
L'equazione (2) è la rappresentazione dell'integrale di tutto il lavoro svolto dal sistema o del lavoro netto svolto dal sistema che è uguale all'integrale di tutti i trasferimenti di calore nel sistema. Termodinamica ingegneristica esplora ulteriormente i concetti di sistemi e processi.
È l'esito della Prima Legge della Termodinamica ed è correlato all'equazione (1) se un sistema coinvolge un processo arbitrario.
In questa equazione, q e w sono il calore trasferito netto e il lavoro netto per il processo, mentre uf e ui sono i valori finali e iniziali dell'energia interna (u). In un sistema rigido e isolato adiabatico (w = 0, q = 0), la sua energia interna (u) rimane invariata. Quindi, dall'eq (2) di un processo ciclico.
Si dice che un sistema stia subendo un processo quando il suo stato iniziale cambia nello stato finale. Proprietà come pressione, volume, entalpia, temperatura, entropia, ecc. cambiano durante un processo termodinamico. La seconda legge della termodinamica categorizza i processi in due categorie
Processi ideali o reversibili
Processi naturali o irreversibili
Se le variazioni di temperatura (t) e pressione (p) sono infinitesime in un sistema che sta subendo un processo, allora il processo può essere definito come vicino agli stati di equilibrio o che tende verso la reversibilità.
Il processo si dice internamente reversibile se lo stato originale è ripristinato nella direzione inversa.
Il processo si dice esternamente reversibile se l'ambiente che accompagna il cambiamento può anche essere invertito in sequenza.
Un processo reversibile è quello che è reversibile sia internamente che esternamente.
Per misurare l'efficacia dei processi reali, i professionisti utilizzano il processo reversibile come misura per confrontare e avvicinare i processi reali e attuali alla reversibilità riducendo le perdite per aumentare l'efficienza dei processi.
Quando i processi reali non soddisfano i requisiti di reversibilità, il processo viene chiamato irreversibile.
Nel processo irreversibile, lo stato iniziale del sistema e dell'ambiente non può essere riportato allo stato iniziale dallo stato finale. L'entropia del sistema aumenta notevolmente nel processo irreversibile e il valore non può essere riportato al valore iniziale dal valore finale.
L'irreversibilità persiste a causa di variazioni di pressione, composizione, temperatura, composizione causate principalmente dal trasferimento di calore, attrito nei solidi e liquidi, reazione chimica. I professionisti si impegnano a ridurre gli effetti dell'irreversibilità nei processi e meccanismi.
Come l'energia interna, l'entropia e l'entalpia sono proprietà termodinamiche. L'entropia è rappresentata dal simbolo s e il cambiamento di entropia Δs in kJ/kg-K. L'entropia è uno stato di disordine. L'entropia è l'argomento della seconda legge della termodinamica, che descrive il cambiamento di entropia nel sistema e nell'ambiente rispetto all'universo.
L'entropia è definita come il rapporto tra il trasferimento di calore e la temperatura assoluta in un sistema per un percorso termodinamico reversibile.
Dove, qrev indica il trasferimento di calore lungo un percorso reversibile.
L'entalpia (h) è una proprietà di stato e viene definita come,
Dove, h è l'entalpia specifica, u è l'energia interna specifica, v è il volume specifico, p è la pressione.
Dall'equazione (1)
Pertanto
Derivando l'eq (4) e sostituendola nell'equazione sopra, allora
Entrambe le equazioni sopra sono correlate ai cambiamenti di entropia per processi reversibili a causa dei cambiamenti di energia interna e volume nella prima equazione e ai cambiamenti di entalpia e pressione nella seconda equazione.
Poiché tutte le quantità in queste due equazioni sono proprietà di stato, l'entropia è anch'essa una proprietà termodinamica.
La seconda legge della termodinamica è nota per descrivere i suoi limiti sull'universo in termini di ciò che l'universo può fare. La 2nd legge riguarda più che altro inefficienze, decadimento e degradazione.
Svolgiamo attività nella nostra vita quotidiana che, per natura, implicano processi inefficienti e irreversibili.
La 2ª legge della termodinamica può essere espressa più convenientemente in termini di entropia:
L'entropia è definita come il cambiamento infinitesimale di entropia di un sistema (dS) che è il rapporto tra la quantità misurata di calore che è entrata nel sistema chiuso (dqrev) e la temperatura comune (T) al punto in cui si è verificato il trasferimento di calore.
La seconda legge della termodinamica afferma che "Il cambiamento di entropia è considerato non negativo".
OPPURE
L'energia dell'universo sta gradualmente passando a uno stato di disordine
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