Энтальпия энтропия и второй закон термодинамики
Цель состоит в том, чтобы развить базовое понимание следующих концепций:
Внутренняя энергия и Первый закон термодинамики
Циклический и произвольный процесс системы
Реверсивность и нереверсивность
Энтропия и энтальпия
Второй закон термодинамики
Внутренняя энергия и Первый закон термодинамики
Когда энергия молекулы внутри системы связана с свойством системы, это называется внутренней энергией (u).
Энергия не может быть создана или уничтожена, и на основе этого принципа внутренняя энергия системы (u) изменяется, когда энергия пересекает границы системы.
Таким образом, первый закон термодинамики можно выразить следующим образом, когда тепло/работа взаимодействует с системой.
В приведенном выше уравнении u — это внутренняя энергия на единицу массы, а q и w — это соответственно тепло и работа на единицу массы. Соглашение о знаках, принятых в приведенном выше уравнении, следующее:
dq > 0 (считается положительным) ⇒ Передача тепла к системе
dq < 0 (считается отрицательным) ⇒ Передача тепла из системы dw > 0 (считается положительным) ⇒ Работа, выполненная системой
dw < 0 (считается отрицательным) ⇒ Работа, выполненная на систему
Циклический и произвольный процесс системы
Одна из важных форм первого закона термодинамики получается, когда
Мы интегрируем приведенное выше уравнение для циклического процесса.
Система считается находящейся в циклическом процессе, когда после случайных изменений вследствие тепла/работы она возвращается к своему исходному состоянию.
Необходимо обратить внимание на следующие моменты:
Интеграл любого дифференциала свойства состояния — это разница его пределов.
Конечное состояние такое же, как исходное, и нет изменения внутренней энергии системы.
Таким образом, когда
Начальное и конечное состояние внутренней энергии в приведенном выше уравнении обозначаются i и f. Подставляя вышеупомянутое в уравнение (1), тогда,
Уравнение (2) представляет собой интеграл всей работы, выполненной системой, или чистой работы, выполненной системой, равной интегралу всей передачи тепла в систему. Инженерная термодинамика далее исследует концепции систем и процессов.
Произвольный процесс системы
Это результат первого закона термодинамики и связано с уравнением (1), если система включает произвольный процесс.
В этом уравнении q и w — это чистая переданная теплота и чистая работа для процесса соответственно, а uf и ui — это конечные и начальные значения внутренней энергии (u). В жесткой и изолированной адиабатической системе (w = 0, q = 0) ее внутренняя энергия (u) остается неизменной. Тогда из уравнения (2) циклического процесса.
Реверсивность и нереверсивность
Система считается проходящей через процесс, когда ее начальное состояние меняется на конечное. Свойства, такие как давление, объем, энтальпия, температура, энтропия и т.д., изменяются в ходе термодинамического процесса. Второй закон термодинамики классифицирует процессы по двум категориям
Идеальные или реверсивные процессы
Естественные или нереверсивные процессы
Если вариации температуры (t) и давления (p) в системе, проходящей через процесс, бесконечно малы, то процесс можно назвать близким к состояниям равновесия или приближающимся к реверсивности.
Процесс считается внутренне реверсивным, если исходное состояние восстанавливается в обратном направлении.
Процесс считается внешне реверсивным, если окружающая среда, сопровождающая изменение, также может быть восстановлена в обратном порядке.
Реверсивный процесс — это процесс, который является реверсивным как внутренне, так и внешне.
Для измерения успешности реальных процессов профессионалы используют реверсивный процесс как меру для сравнения и приближения реальных и фактических процессов к реверсивности, снижая потери, чтобы повысить эффективность процессов.
Нереверсивность
Когда реальные процессы не соответствуют требованиям реверсивности, процесс называется нереверсивным.
В нереверсивном процессе исходное состояние системы и окружающей среды не могут быть возвращены к исходному состоянию из конечного состояния. Энтропия системы резко увеличивается в нереверсивном процессе, и значение не может быть возвращено к исходному значению из конечного значения.
Нереверсивность сохраняется из-за вариаций давления, состава, температуры, вызванных передачей тепла, трением в твердых и жидких веществах, химическими реакциями. Профессионалы активно работают над снижением эффектов нереверсивности в процессах и механизмах.
Энтропия и энтальпия
Как и внутренняя энергия, энтропия и энтальпия являются термодинамическими свойствами. Энтропия обозначается символом s, а изменение энтропии Δs в кДж/кг-К. Энтропия — это состояние беспорядка. Энтропия является предметом второго закона термодинамики, который описывает изменение энтропии в системе и окружающей среде относительно Вселенной.
Энтропия определяется как отношение переданного тепла к абсолютной температуре в системе для реверсивного термодинамического пути.
Где, qrev обозначает передачу тепла вдоль реверсивного пути.
Энтальпия (h) — это свойство состояния и определяется как,
Где, h — это специфическая энтальпия, u — это специфическая внутренняя энергия, v — это специфический объем, p — это давление.
Из уравнения (1)
Следовательно
Дифференцируя уравнение (4) и подставляя его в приведенное выше уравнение, тогда
Оба этих уравнения связаны с изменениями энтропии для реверсивных процессов вследствие изменений внутренней энергии и объема в первом уравнении и изменения энтальпии и давления во втором уравнении.
Поскольку все величины в этих двух уравнениях являются свойствами состояния, энтропия также является термодинамическим свойством.
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики известен за описание своих ограничений на Вселенную в терминах того, что может сделать Вселенная. 2й Закон больше описывает неэффективности, разрушение и деградацию.
Мы выполняем действия в повседневной жизни, которые по своей природе включают неэффективные и нереверсивные процессы.
Второй закон термодинамики можно более удобно выразить с точки зрения энтропии:
Энтропия определяется как бесконечно малое изменение энтропии системы (dS) как отношение измеренного количества тепла, которое вошло в замкнутую систему (dqrev), и общая температура (T) в точке, где происходила передача тепла.
Второй закон термодинамики гласит, что «Изменение энтропии считается неотрицательным».
ИЛИ
Энергия Вселенной постепенно движется к состоянию беспорядка
Заявление: Уважайте оригинальность, хорошие статьи стоят того, чтобы их делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.
