เอนทัลปี เอ็นโทรปี และกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์
วัตถุประสงค์คือการพัฒนาความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับแนวคิดต่อไปนี้:
พลังงานภายในและกฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์
กระบวนการวงจรป้อนกลับและกระบวนการใดๆ ของระบบ
การย้อนกลับและการไม่สามารถย้อนกลับได้
เอนโทรปีและเอนทาลปี
กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์
พลังงานภายในและกฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์
เมื่อพลังงานของโมเลกุลภายในระบบมีความเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของระบบ จะเรียกว่าพลังงานภายใน (u) พลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ และตามหลักนี้พลังงานภายใน (u) จะเปลี่ยนแปลงเมื่อมีพลังงานข้ามขอบเขตของระบบ ดังนั้นกฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์สามารถแสดงได้ดังนี้เมื่อมีการแลกเปลี่ยนความร้อน/งานกับระบบ
ในสมการด้านบน u คือพลังงานภายในต่อหน่วยมวล และ q และ w คือความร้อนและงานต่อหน่วยมวลตามลำดับ สัญกรณ์ที่ใช้ในสมการดังกล่าวคือ:
dq > 0 (ถือว่าเป็นบวก) ⇒ การถ่ายโอนความร้อนเข้าสู่ระบบ
dq < 0 (ถือว่าเป็นลบ) ⇒ การถ่ายโอนความร้อนออกจากระบบ dw > 0 (ถือว่าเป็นบวก) ⇒ งานที่ระบบทำ
dw < 0 (ถือว่าเป็นลบ) ⇒ งานที่ทำให้กับระบบ
กระบวนการวงจรป้อนกลับและกระบวนการใดๆ ของระบบ
หนึ่งในรูปแบบสำคัญของกฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์จะได้รับเมื่อ
เราทำการอินทิเกรตสมการดังกล่าวสำหรับกระบวนการวงจรป้อนกลับ
ระบบที่ผ่านกระบวนการวงจรป้อนกลับคือระบบที่กลับสู่สถานะเดิมหลังจากผ่านการเปลี่ยนแปลงอย่างสุ่มเนื่องจากการถ่ายโอนความร้อน/งาน
ประเด็นที่ควรพิจารณา:
การอินทิเกรตของค่าเชิงอนุพันธ์ของคุณสมบัติสถานะใดๆ คือความแตกต่างระหว่างค่าลิมิต
สถานะสุดท้ายเหมือนกับสถานะเดิมและไม่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ
ดังนั้นเมื่อ
สถานะเริ่มต้นและสุดท้ายของพลังงานภายในในสมการดังกล่าวแทนด้วย i และ f แทนค่าดังกล่าวในสมการ (1) แล้ว,
สมการ (2) คือการแทนค่าของการทำงานทั้งหมดโดยระบบหรือการทำงานสุทธิของระบบเท่ากับการอินทิเกรตของการถ่ายโอนความร้อนเข้าสู่ระบบวิศวกรรมเทอร์โมไดนามิกส์สำรวจแนวคิดเกี่ยวกับระบบและกระบวนการเพิ่มเติม
กระบวนการใดๆ ของระบบ
เป็นผลมาจากกฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์และเกี่ยวข้องกับสมการ (1) ถ้าระบบมีกระบวนการใดๆ
ในสมการนี้ q และ w คือความร้อนที่ถ่ายโอนและงานที่ทำสำหรับกระบวนการตามลำดับ ในขณะที่ uf และ ui คือค่าสุดท้ายและค่าเริ่มต้นของพลังงานภายใน (u) ในการ์ดที่แข็งแรงและแยกจากกันอย่างสมบูรณ์ (w = 0, q = 0) แล้วพลังงานภายใน (u) ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง จากสมการ (2) ของกระบวนการวงจรป้อนกลับ
การย้อนกลับและการไม่สามารถย้อนกลับได้
ระบบถูกกล่าวว่ากำลังผ่านกระบวนการเมื่อสถานะเริ่มต้นเปลี่ยนเป็นสถานะสุดท้าย คุณสมบัติเช่นความดัน ปริมาตร เอนทาลปี อุณหภูมิ เอนโทรปี ฯลฯ เปลี่ยนแปลงระหว่างกระบวนการเทอร์โมไดนามิกส์ กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ แบ่งประเภทกระบวนการออกเป็นสองหมวด
กระบวนการแบบอุดมคติหรือกระบวนการที่สามารถย้อนกลับได้
กระบวนการตามธรรมชาติหรือกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้
หากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (t) และความดัน (p) เป็นจำนวนเล็กน้อยในระบบซึ่งกำลังผ่านกระบวนการ กระบวนการดังกล่าวสามารถเรียกว่าสถานะใกล้เคียงกับภาวะสมดุลหรือเข้าใกล้ภาวะที่สามารถย้อนกลับได้
กระบวนการถูกกล่าวว่าสามารถย้อนกลับภายในได้หากสถานะเดิมถูกคืนค่าในทางตรงกันข้าม
กระบวนการถูกกล่าวว่าสามารถย้อนกลับภายนอกได้หากสภาพแวดล้อมที่มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงสามารถย้อนกลับตามลำดับ
กระบวนการที่สามารถย้อนกลับได้คือกระบวนการที่สามารถย้อนกลับได้ทั้งภายในและภายนอก
เพื่อวัดความสำเร็จของกระบวนการจริง ผู้เชี่ยวชาญใช้กระบวนการที่สามารถย้อนกลับได้เป็นมาตรฐานในการเปรียบเทียบและทำให้กระบวนการจริงและกระบวนการที่แท้จริงเข้าใกล้ภาวะที่สามารถย้อนกลับได้โดยลดความสูญเสียเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการ
ภาวะไม่สามารถย้อนกลับได้
เมื่อกระบวนการจริงไม่สามารถตอบสนองความต้องการของการย้อนกลับได้ กระบวนการดังกล่าวเรียกว่าไม่สามารถย้อนกลับได้
ในการดำเนินการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ สถานะเริ่มต้นของระบบและสิ่งแวดล้อมไม่สามารถกลับคืนสู่สถานะเริ่มต้นจากสถานะสุดท้ายได้ เอนโทรปีของระบบเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในการดำเนินการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ และค่าดังกล่าวไม่สามารถกลับคืนสู่ค่าเริ่มต้นจากค่าสุดท้ายได้
ภาวะไม่สามารถย้อนกลับได้เกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความดัน การประกอบส่วนผสม อุณหภูมิ การประกอบส่วนผสม ซึ่งเกิดจากการถ่ายโอนความร้อน การเสียดทานในของแข็งและของเหลว การปฏิกิริยาเคมี ผู้เชี่ยวชาญพยายามลดผลกระทบของภาวะไม่สามารถย้อนกลับได้ในกระบวนการและกลไก
เอนโทรปีและเอนทาลปี
เช่นเดียวกับพลังงานภายใน เอนโทรปีและเอนทาลปีเป็นคุณสมบัติเทอร์โมไดนามิกส์ เอนโทรปีแทนด้วยสัญลักษณ์ s และการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี Δs ใน kJ/kg-K เอนโทรปีคือภาวะความไม่เรียบร้อย เอนโทรปีเป็นหัวข้อของกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ ซึ่งอธิบายการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีในระบบและสภาพแวดล้อมเทียบกับเอกภพ
เอนโทรปีถูกกำหนดเป็นอัตราส่วนของการถ่ายโอนความร้อนต่ออุณหภูมิสัมบูรณ์ในระบบสำหรับเส้นทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่สามารถย้อนกลับได้
ที่ไหน, qrev หมายถึงการถ่ายโอนความร้อนตามเส้นทางที่สามารถย้อนกลับได้
เอนทาลปี (h) เป็นคุณสมบัติของสถานะและถูกกำหนดเป็น,
ที่ไหน, h คือเอนทาลปีเฉพาะ, u คือพลังงานภายในเฉพาะ, v คือปริมาตรเฉพาะ, p คือความดัน
จากสมการ (1)
ดังนั้น
โดยการหาอนุพันธ์ของสมการ (4) และแทนค่าในสมการดังกล่าว แล้ว
ทั้งสองสมการดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีสำหรับกระบวนการที่สามารถย้อนกลับได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในและปริมาตรในสมการแรก และการเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีและความดันในสมการหลัง
เนื่องจากปริมาณทั้งหมดในสองสมการนี้เป็นคุณสมบัติสถานะ ดังนั้นเอนโทรปีจึงเป็นคุณสมบัติเทอร์โมไดนามิกส์
กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์
กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ เป็นที่รู้จักในการอธิบายข้อจำกัดของเอกภพในแง่ของสิ่งที่เอกภพสามารถทำได้ กฎข้อที่สองมุ่งเน้นไปที่การทำลาย ความเสื่อมโทรม และภาวะที่ไม่สามารถย้อนกลับได้
เราทำกิจกรรมในชีวิตประจำวันที่มีกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้และไม่เป็นประสิทธิภาพ
กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์สามารถแสดงได้ง่ายขึ้นในแง่ของเอนโทรปี:
เอนโทรปีถูกกำหนดเป็นการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีของระบบ (dS) คืออัตราส่วนของความร้อนที่วัดได้ที่เข้าสู่ระบบปิด (dqrev) และอุณหภูมิทั่วไป (T) ที่จุดที่การถ่ายโอนความร้อนเกิดขึ้น
กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ระบุว่า "การเปลี่ยนแปลงของเอน
