Năng lượng nội, Entropy, và Định luật Thermodynamics thứ hai

Mục tiêu là phát triển sự hiểu biết cơ bản về các khái niệm sau:

• Năng lượng nội và Định luật thứ nhất của Nhiệt động lực học

• Quá trình chu kỳ và tùy ý của hệ thống

• Khả năng đảo ngược và không thể đảo ngược

• Entropy và Enthalpy

• Định luật thứ hai của Nhiệt động lực học

Năng lượng nội và Định luật thứ nhất của Nhiệt động lực học

Khi năng lượng của phân tử trong một hệ thống được liên kết với thuộc tính của hệ thống, thì nó được gọi là Năng lượng nội (u).
Năng lượng không thể tạo ra hay bị phá hủy và dựa trên nguyên tắc này, năng lượng nội (u) của hệ thống thay đổi khi năng lượng đi qua biên giới hệ thống.
Vì vậy, định luật thứ nhất của nhiệt động lực học có thể được biểu đạt như sau khi nhiệt/làm việc tương tác với hệ thống.

Trong phương trình trên, u là năng lượng nội theo đơn vị khối lượng và q và w lần lượt là nhiệt và công theo đơn vị khối lượng. Quy ước dấu được áp dụng trong phương trình trên là:
dq > 0 (được coi là dương) ⇒ Chuyển nhiệt vào hệ thống
dq < 0 (được coi là âm) ⇒ Chuyển nhiệt ra khỏi hệ thống dw > 0 (được coi là dương) ⇒ Công làm bởi hệ thống
dw < 0 (được coi là âm) ⇒ Công làm lên hệ thống

Quá trình chu kỳ và tùy ý của Hệ thống

Một trong những hình thức quan trọng của Định luật thứ nhất của Nhiệt động lực học được thu được khi

Chúng ta tích hợp phương trình trên cho một quá trình chu kỳ.

Hệ thống được nói là trong quá trình chu kỳ, khi sau khi trải qua các thay đổi ngẫu nhiên do nhiệt/công, nó trở lại trạng thái ban đầu.

Các điểm cần suy nghĩ là:

1. Tích phân của bất kỳ vi phân thuộc tính trạng thái nào là sự khác biệt của các giới hạn của nó.

2. Trạng thái cuối cùng giống như trạng thái ban đầu và không có sự thay đổi trong năng lượng nội của hệ thống.

Vì vậy, khi

Trạng thái ban đầu và cuối cùng của năng lượng nội trong phương trình trên được biểu diễn bằng i và f. Thay thế trên vào phương trình (1) thì,

Phương trình (2) là biểu diễn của tích phân của tất cả công làm bởi hệ thống hoặc tổng công làm bởi hệ thống bằng tích phân của tất cả chuyển nhiệt vào hệ thống. Thermodynamics kỹ thuật tiếp tục khám phá các khái niệm về hệ thống và quá trình.

Quá trình tùy ý của Hệ thống

Đó là kết quả của Định luật thứ nhất của Nhiệt động lực học và liên quan đến phương trình (1) nếu hệ thống bao gồm một quá trình tùy ý.

Trong phương trình này, q và w lần lượt là tổng chuyển nhiệt và tổng công cho quá trình, trong khi uf và ui là giá trị cuối cùng và ban đầu của năng lượng nội (u). Trong một hệ thống kín và cách nhiệt (w = 0, q = 0), thì năng lượng nội (u) của nó không thay đổi. Sau đó từ phương trình (2) của quá trình chu kỳ.

Khả năng đảo ngược và không thể đảo ngược

Hệ thống được nói là đang trải qua một quá trình khi trạng thái ban đầu của nó thay đổi thành trạng thái cuối cùng. Các thuộc tính như áp suất, thể tích, enthalpy, nhiệt độ, entropy, v.v. thay đổi trong quá trình nhiệt động lực học. Định luật thứ hai của Nhiệt động lực học phân loại các quá trình dưới hai tiêu đề

• Quá trình lý tưởng hoặc có thể đảo ngược

• Quá trình tự nhiên hoặc không thể đảo ngược

Nếu biến đổi nhiệt độ (t) và áp suất (p) là vô cùng nhỏ trong hệ thống, đang trải qua một quá trình, thì quá trình đó có thể được gọi là gần trạng thái cân bằng hoặc đang tiến tới khả năng đảo ngược.
Quá trình được coi là có thể đảo ngược nội bộ nếu trạng thái ban đầu được khôi phục theo hướng ngược lại.
Quá trình được coi là có thể đảo ngược ngoại vi nếu môi trường xung quanh thay đổi cũng có thể được đảo ngược theo trình tự.
Quá trình có thể đảo ngược là quá trình có thể đảo ngược cả nội bộ và ngoại vi.
Để đo lường hiệu quả của các quá trình thực tế, các chuyên gia sử dụng quá trình có thể đảo ngược làm thước đo để so sánh và đưa các quá trình thực tế gần hơn với khả năng đảo ngược bằng cách giảm thiểu tổn thất để tăng hiệu quả của các quá trình.

Không thể đảo ngược

Khi các quá trình thực tế không đáp ứng được yêu cầu của khả năng đảo ngược, thì quá trình đó được gọi là không thể đảo ngược.
Trong quá trình không thể đảo ngược, trạng thái ban đầu của hệ thống và môi trường xung quanh không thể được đưa trở lại từ trạng thái cuối cùng. Entropy của hệ thống tăng mạnh trong quá trình không thể đảo ngược và giá trị này không thể được đưa trở lại từ giá trị cuối cùng.
Không thể đảo ngược tồn tại do sự biến đổi áp suất, thành phần, nhiệt độ, chủ yếu do chuyển nhiệt, ma sát trong chất rắn và chất lỏng, phản ứng hóa học. Các chuyên gia đang nỗ lực để giảm thiểu tác động của không thể đảo ngược trong các quá trình và cơ chế.

Entropy và Enthalpy

Giống như năng lượng nội, Entropy và Enthalpy là các thuộc tính nhiệt động lực học. Entropy được biểu diễn bằng ký hiệu s và thay đổi entropy Δs trong kJ/kg-K. Entropy là trạng thái hỗn loạn. Entropy là chủ đề của Định luật thứ hai của Nhiệt động lực học, mô tả sự thay đổi entropy trong hệ thống và môi trường xung quanh đối với Vũ trụ.
Entropy được định nghĩa là tỷ lệ chuyển nhiệt đến nhiệt độ tuyệt đối trong hệ thống cho một đường nhiệt động lực học có thể đảo ngược.

Trong đó, qrev biểu thị chuyển nhiệt dọc theo một đường có thể đảo ngược.
Enthalpy (h) là thuộc tính trạng thái và được định nghĩa là,

Trong đó, h là Enthalpy riêng, u là năng lượng nội riêng, v là thể tích riêng, p là áp suất.
Từ phương trình (1)

Do đó

Bằng cách lấy đạo hàm của phương trình (4) và thay thế nó vào phương trình trên, thì

Cả hai phương trình trên đều liên quan đến sự thay đổi entropy cho các quá trình có thể đảo ngược do sự thay đổi năng lượng nội và thể tích trong phương trình trước và sự thay đổi enthalpy và áp suất trong phương trình sau.
Vì tất cả các đại lượng trong hai phương trình này là thuộc tính trạng thái, do đó entropy cũng là thuộc tính nhiệt động lực học.

Định luật thứ hai của Nhiệt động lực học

Định luật thứ hai của Nhiệt động lực học được biết đến với việc mô tả giới hạn của vũ trụ về những gì vũ trụ có thể làm. Định luật thứ hai liên quan nhiều hơn đến việc xử lý các vấn đề về hiệu suất thấp, sự suy thoái và sự suy giảm.
Chúng ta thực hiện các hoạt động hàng ngày mà theo bản chất bao gồm các quá trình kém hiệu quả và không thể đảo ngược.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học có thể được biểu đạt thuận tiện hơn theo entropy:
Entropy được định nghĩa là sự thay đổi vô cùng nhỏ của entropy của một hệ thống (dS) là tỷ lệ giữa lượng nhiệt đã đi vào hệ thống kín (dqrev) và nhiệt độ chung (T) tại điểm xảy ra chuyển nhiệt.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học nêu rằng "Sự thay đổi entropy được coi là không âm".
HOẶC
Năng lượng của vũ trụ đang dần chuyển sang trạng thái hỗn loạn

Lời tuyên bố: Tôn trọng bản gốc, bài viết tốt đáng chia sẻ, nếu có vi phạm quyền tác giả xin liên hệ để xóa.