Mērķis ir attīstīt pamatprasmju sapratni par šādiem jēdzieniem:
Iekšējā enerģija un Pirmā termodinamikas likuma
Sistēmas cikliska un laikmetīga process
Apvēršamība un Nepārvēršamība
Entropija un Entalpija
Otrais termodinamikas likums
Ja sistēmā esoša molekūlas enerģija ir saistīta ar sistēmas īpašībām, to sauc par iekšējo enerģiju (u).
Enerģija nevar tikt radīta vai iznīcināta, un balstoties uz šo principu, sistēmas iekšējā enerģija (u) mainās, kad enerģija pāriet caur sistēmas robežām.
Tādējādi Pirmā termodinamikas likuma var izteikt, kā zemāk norādīts, kad siltums/darbība interakcijā ar sistēmu.
Uzrakstā u ir iekšējā enerģija vienības masai, bet q un w ir siltums un darbs vienības masai attiecīgi. Zemāk minētajā vienādojumā pieņemtais zīmes konvents ir:
dq > 0 (uzskatīts par pozitīvu) ⇒ Siltuma pārnesa sistēmai
dq < 0 (uzskatīts par negatīvu) ⇒ Siltuma pārnesa no sistēmas dw > 0 (uzskatīts par pozitīvu) ⇒ Darbs, ko veic sistēma
dw < 0 (uzskatīts par negatīvu) ⇒ Darbs, kas tiek veikts sistēmai
Viens no Pirmā termodinamikas likuma svarīgākajiem formātiem tiek iegūts, kad
Mēs integrējam šo vienādojumu cikliskā procesā.
Sistēma tiek saukta par ciklisku, ja, pēc nejaušu izmaiņu dēļ siltuma/darba ietekmei, tā atgriežas savā sākotnējā stāvoklī.
Jāņem vērā:
Jebkura stāvokļa īpašības diferenciāla integrālis ir tā robežu atšķirība.
Beigu stāvoklis ir tāds pats kā sākotnējais stāvoklis, un sistēmas iekšējā enerģija nemaina.
Tātad, kad
Iepriekšminētajā vienādojumā iekšējās enerģijas sākotnējais un beigu stāvoklis ir apzīmēts ar i un f. Aizstājot to vienādojumā (1), tad,
Vienādojums (2) ir visu sistēmas veikto darbu integrāla attēlojums, vai neto sistēmas veikto darbu ir vienāds ar visu sistēmā ienākošā siltuma integrālu. Inženierzinātnes termodinamika turpmāk izpēta sistēmu un procesu jēdzienus.
Tas ir Pirmā termodinamikas likuma rezultāts un ir saistīts ar vienādojumu (1), ja sistēma iesaistīta laikmetīgā procesā.
Šajā vienādojumā q un w ir kopējie pārnēsātie siltums un darbs procesam, savukārt uf un ui ir galējā un sākotnējā iekšējās enerģijas (u) vērtības. Cilindraformā un izolētā adiabātiskā sistēmā (w = 0, q = 0) tā iekšējā enerģija (u) nemaina. Tad no cikliskā procesa vienādojuma (2).
Sistēma tiek saukta par procesa gaitā, ja tā sākotnējais stāvoklis mainās uz beigu stāvokli. Spiediens, tilpums, entalpija, temperatūra, entropija utt. mainašanās laikā termodinamiskā procesā. Otrais termodinamikas likums kategorizē procesus divos punktos
Ideālie vai apvēršami procesi
Dabiskie vai nepārvēršami procesi
Ja sistēmā, kas piedalās procesā, temperatūras (t) un spiediena (p) maiņas ir bezgalīgi mazas, tad procesu var nosaukt par tuvu līdzsvarā stāvokļiem vai tuvu apvēršamībai.
Procesu sauc par iekšēji apvēršamu, ja sākotnējais stāvoklis tiek atjaunots otrādā virzienā.
Procesu sauc par ārēji apvēršamu, ja vides maiņa, kas procesu saista, var tikt arī apvērsta secībā.
Apvēršams process ir tāds, kas ir apvēršams gan iekšēji, gan ārēji.
Lai novērtētu reālo procesu veiksmīgumu, profesionāļi izmanto apvēršamus procesus kā mēru salīdzināšanai un tuvināšanai reālajiem un faktiskajiem procesiem, samazinot zudējumus, lai paaugstinātu procesu efektivitāti.
Kad reālie procesi nespēj izpildīt apvēršamības prasības, tad procesu sauc par nepārvēršamu.
Nepārvēršamā procesā sistēmas un apkārtne sākotnējais stāvoklis nevar tikt atjaunots no beigu stāvokļa. Sistēmas entropija nepārvēršamā procesā strauji pieaug, un tās vērtību nevar atgriezt no beigu vērtības uz sākotnējo vērtību.
Nepārvēršamība pastāv dēļ spiediena, sastāva, temperatūras, sastāva maiņas, galvenokārt dēļ siltuma pārnesas, spraugas cietajā un šķidrā stāvoklī, ķīmiskās reakcijas. Profesionāļi cenšas samazināt nepārvēršamības ietekmi procesos un mehānismos.
Līdzīgi kā iekšējā enerģija, entropija un entalpija ir termodinamiskas īpašības. Entropiju apzīmē ar simbolu s, un entropijas maiņa Δs ir kJ/kg-K. Entropija ir neatkārtotspējas stāvoklis. Entropija ir Otrā termodinamikas likuma subjekts, kas apraksta entropijas maiņu sistēmā un apkārtējā vidē attiecībā pret Visumu.
Entropiju definē kā siltuma pārnesu absolūtajai temperatūrai sistēmā reizinājumā ar apvēršamu termodinamisko ceļu.
Kur, qrev apzīmē siltuma pārnesu pa apvēršamu ceļu.
Entalpija (h) ir stāvokļa īpašība un definēta kā,
Kur, h ir specifiskā entalpija, u ir specifiskā iekšējā enerģija, v ir specifiskais tilpums, p ir spiediens.
No vienādojuma (1)
Tātad
Atvasinot vienādojumu (4) un aizstājot to šajā vienādojumā, tad
Abi šie vienādojumi attiecas uz entropijas maiņu apvēršamos procesos dēļ iekšējās enerģijas un tilpuma maiņas pirmajā vienādojumā un entalpijas un spiediena maiņas otrajā vienādojumā.
Ka abos šajos vienādojumos visas lielumi ir stāvokļa īpašības, tātad entropija arī ir termodinamiskā īpašība.
Otrais termodinamikas likums ir pazīstams par to, ka apraksta tā robežas Universumam, ko tas var darīt. 2nd likums vairāk attiecas uz neefektivitāti, sabrukumu un degenerāciju.
Mēs ikdienas dzīvē veicam darbības, kas no dabas ir neefektīvas un nepārvēršamas.
Otrais termodinamikas likums varētu būt vieglāk izteikts attiecībā uz entropiju:
Entropija definēta kā infinitesimālā entropijas maiņa sistēmā (dS) ir attiecība starp mērīto siltuma daudzumu, kas ieiet slēgtā sistēmā (dqrev), un kopīgo temperatūru (T) punktā, kur notika siltuma pārdošana.
Otrais termodinamikas lik
