Ентальпія ентропія та Другий закон термодинаміки

Метою є розробка базового розуміння наступних концепцій:

• Внутрішня енергія та Перший закон термодинаміки

• Циклічний та довільний процес системи

• Реверсивність та нереверсивність

• Ентропія та ентальпія

• Другий закон термодинаміки

Внутрішня енергія та Перший закон термодинаміки

Коли енергія молекули в системі пов'язана з властивостями системи, це називається внутрішньою енергією (u).
Енергія не може бути створена або знищена, і на основі цього принципу внутрішня енергія (u) системи змінюється, коли енергія перетинає межі системи.
Таким чином, перший закон термодинаміки можна виразити так, як показано нижче, коли тепло/робота взаємодіє з системою.

У вищенаведеному рівнянні u — це внутрішня енергія на одиницю маси, а q і w — це тепло і робота на одиницю маси відповідно. Конвенція знаків, прийнята в вищенаведеному рівнянні, така:
dq > 0 (розглядається як позитивне) ⇒ Передача тепла до системи
dq < 0 (розглядається як негативне) ⇒ Передача тепла від системи dw > 0 (розглядається як позитивне) ⇒ Робота, виконана системою
dw < 0 (розглядається як негативне) ⇒ Робота, виконана на систему

Циклічний та довільний процес системи

Однією з важливих форм першого закону термодинаміки є форма, отримана, коли

Ми інтегруємо вищенаведене рівняння для циклічного процесу.

Система називається циклічною, коли після випадкових змін через тепло/роботу повертається до свого початкового стану.

Основні моменти:

1. Інтегрування диференціалу будь-якої властивості стану — це різниця його границь.

2. Кінцевий стан такий самий, як початковий, і немає зміни внутрішньої енергії системи.

Таким чином, коли

Початковий та кінцевий стан внутрішньої енергії в наведеному рівнянні позначаються як i та f. Підставляючи це в рівняння (1), отримуємо,

Рівняння (2) є представленням інтегралу всієї виконаної системою роботи або загальної роботи, виконаної системою, яка дорівнює інтегралу всіх теплових переносів у систему. Інженерна термодинаміка докладніше розглядає концепції систем та процесів.

Довільний процес системи

Це наслідок Першого закону термодинаміки і пов'язано з рівнянням (1), якщо система включає довільний процес.

У цьому рівнянні q та w — це загальний перенесений теплота та загальна робота для процесу відповідно, а uf та ui — це кінцеві та початкові значення внутрішньої енергії (u). У жорсткій та ізольованій адіабатичній системі (w = 0, q = 0) внутрішня енергія (u) залишається незмінною. Тоді з рівняння (2) для циклічного процесу.

Оборотність та необоротність

Система проходить процес, коли її початковий стан змінюється на кінцевий. Властивості, такі як тиск, об'єм, ентальпія, температура, ентропія тощо, змінюються під час термодинамічного процесу. Другий закон термодинаміки класифікує процеси на два типи

• Ідеальні або оборотні процеси

• Природні або необоротні процеси

Якщо зміни температури (t) та тиску (p) в системі, яка проходить процес, є нескінченно малими, то процес можна назвати близьким до рівноважних станів або наближеним до оборотності.
Процес називається внутрішньо оборотним, якщо оригінальний стан може бути відновлений в зворотному напрямку.
Процес називається зовнішньо оборотним, якщо зміни, що супроводжують процес, також можуть бути повернуті в послідовності.
Оборотний процес — це той, який є оборотним як внутрішньо, так і зовнішньо.
Для оцінки успішності реальних процесів фахівці використовують оборотні процеси як міру порівняння та приближення реальних та фактичних процесів до оборотності шляхом зменшення втрат для збільшення ефективності процесів.

Необоротність

Коли реальні процеси не відповідають вимогам оборотності, процес називається необоротним.
У необоротному процесі початковий стан системи та оточення не може бути повернутий з кінцевого стану до початкового. Ентропія системи сильно зростає в необоротному процесі, і її значення не може бути повернено до початкового значення з кінцевого.
Необоротність виникає через зміни тиску, складу, температури, спричинені теплопередачею, тертям в твердих та рідких речинах, хімічними реакціями. Фахівці працюють над зменшенням ефектів необоротності в процесах та механізмах.

Ентропія та ентальпія

Як і внутрішня енергія, ентропія та ентальпія є термодинамічними властивостями. Ентропію позначають символом s, а зміну ентропії Δs в кДж/кг-К. Ентропія є станом безладу. Ентропія є предметом другого закону термодинаміки, який описує зміну ентропії в системі та оточуючому середовищі відносно Всесвіту.
Ентропію визначають як відношення теплопередачі до абсолютної температури в системі для оберненого термодинамічного шляху.

Де, qrev позначає теплопередачу вздовж оберненого шляху.
Ентальпія (h) є властивістю стану і визначається як,

Де, h — специфічна ентальпія, u — специфічна внутрішня енергія, v — специфічний об'єм, p — тиск.
З рівняння (1)

Отже

Різницевання рівняння (4) та підстановка його в попереднє рівняння, то

Обидва цих рівняння пов'язані з змінами ентропії для обернених процесів через зміни внутрішньої енергії та об'єму в першому і зміни ентальпії та тиску в другому рівнянні.
Оскільки всі величини в цих двох рівняннях є властивостями стану, тому ентропія також є термодинамічною властивістю.

Другий закон термодинаміки

Другий закон термодинаміки відомий своїми обмеженнями на Всесвіт у термінах того, що може зробити Всесвіт. Другий закон більше стосується незадійності, руйнування та деградації.
Ми виконуємо діяльність в нашому повсякденному житті, яка за природою включає неефективні та необернені процеси.
Другий закон термодинаміки можна більш зручно висловити відносно ентропії:
Ентропію визначено як нескінченно малий зміна ентропії системи (dS) є відношенням виміряної кількості тепла, яке потрапило в замкнуту систему (dqrev), і загальної температури (T) в точці, де відбувалася теплопередача.

Другий закон термодинаміки стверджує, що "зміна ентропії вважається невід'ємною".
АБО
Енергія Всесвіту поступово переходить до стану безладу

Повідомлення: Поважайте оригінал, добре статті варті поширення, якщо є порушення авторських прав зв'яжіться для видалення.