Andra lagen om termodynamikformler, ekvationer, exempel

De Andra lagen om termodynamik har flera former av uttryck. En av dem säger att ingen termisk maskin kan helt konvertera all den energi som den absorberar till användbart arbete (Kelvin-Planck-formulering). Ett annat sätt att säga att det är att säga att verkliga processer inträffar i en sådan mening att energikvaliteten är lägre eftersom Entropi Det tenderar att öka.

Denna lag, även känd som den andra principen för termodynamik, har uttryckts på olika sätt med tiden, från början av 1800 -talet till nutid, även om dess ursprung är från skapandet av de första ångmaskinerna i England, I början av 1700 -talet.

Figur 1. När man bygger konstruktionsblocken på golvet skulle det vara mycket förvånande att falla beställt. Källa: Pixabay.

Men även om det uttrycks på många sätt, i alla idéer att Matter tenderar att störas och att ingen process på 100%, eftersom förluster alltid kommer att existera alltid att existera.

Alla termodynamiska system följer denna princip, börjar med universumet själv till koppen morgonkaffe som väntar tyst på bordet och byter värme med miljön.

Kaffet svalnar när tiden går tills det är i termisk jämvikt med miljön, så det skulle vara mycket förvånande om det motsatta skulle hända en dag och stämningen skulle svalna medan kaffet skulle värmas upp för sig själv. Det är osannolikt att det kommer att hända, vissa kommer att säga det omöjliga, men det räcker att föreställa sig att det har en uppfattning om känslan där saker händer spontant.

I ett annat exempel, om vi skjuter en bok på ytan av ett bord, kommer den så småningom att sluta, eftersom dess kinetiska energi kommer att gå förlorad i form av värme på grund av friktion.

Den första och andra lagen i termodynamiken inrättades omkring 1850, tack vare forskare som Lord Kelvin -Creator av termen "termodynamik" -, William Rankine -Author till den första formella texten av termodynamik -och Rudolph Clausiusiusiusius.

[TOC]

Formler och ekvationer

Entropi -lös än början -hjälpsan fastställer den känsla som saker händer. Låt oss gå tillbaka till exemplet med kropparna i termisk kontakt.

När två föremål vid olika temperaturer läggs i kontakt och slutligen efter ett tag når de termisk balans, de drivs till det av det faktum att entropin når sitt maximum, när temperaturen på båda är densamma är densamma.

Betecknar entropi som S, Förändringen i entropi ΔS av ett system ges av:

F är värmen i Joules och T är temperaturen i Kelvins. I det internationella systemet med SI -enheter ges entropi i Joules/Kelvins eller J/K.

Förändringen av entropi ΔS Det indikerar graden av störningar i ett system, men det finns en begränsning i användningen av denna ekvation: det är endast tillämpligt på reversibla processer, det vill säga de där systemet kan återgå till sitt ursprungliga tillstånd utan att lämna ett märke av vad hände-.

I irreversibla processer manifesteras den andra lagen om termodynamik enligt följande:

Kan tjäna dig: Reynolds Number: Vad är det för, hur det beräknas, övningar

Ojämlikhet uppstår eftersom entropin i irreversibla processer alltid ökar.

Reversibla och irreversibla processer

Kaffekoppen svalnar alltid och är ett bra exempel på en irreversibel process, eftersom den alltid inträffar i en riktning. Om grädde läggs till kaffet och rör om, kommer en mycket trevlig kombination att erhållas, men oavsett hur omrörning igen kommer kaffet och grädden inte att vara igen, eftersom omrörning är irreversibel.

figur 2. Cup Breakage är en irreversibel process. Källa: Pixabay.

Även om de flesta av de dagliga processerna är irreversibla, är vissa nästan Reversibel. Reversibilitet är en idealisering. För att genomföras måste systemet förändras mycket långsamt, så att det vid varje tidpunkt alltid är i balans. På detta sätt är det möjligt att återlämna det till ett tidigare tillstånd utan att lämna ett märke runt.

De processer som är ganska nära detta ideal är mer effektiva, eftersom de levererar en större mängd arbete med mindre energiförbrukning.

Friktionskraften ansvarar för mycket av irreversibiliteten, eftersom värmen som genereras av den inte är den typ av energi som söks. I boken som glider över bordet är värme med friktion energi som inte återhämtas.

Även om boken återvänder till sin ursprungliga position kommer bordet att ha varit hett som ett fotavtryck för att komma och gå på den.

Observera nu en glödlampa: Det mesta av det arbete som utförs av strömmen som korsar glödtråden slösas bort i värme av Joule Effect. Bara en liten procentandel används för att avge ljus. I båda processerna (bok och glödlampa) har systemets entropi ökat.

Ansökningar

En idealisk motor är den som är byggd genom reversibla processer och saknar friktion som orsakar energiavfall, vridning nästan All termisk energi i användbart arbete.

Vi betonar ordet nästan, eftersom inte ens den perfekta motorn, som är Carnot, har 100% effektivitet. Den andra lagen om termodynamik är inte på detta sätt.

Carnot -motor

Carnots motor är den mest effektiva motorn som kan utformas. Det fungerar mellan två temperaturavlagringar i två isotermiska processer - vid konstant temperatur - och två adiabatiska processer - utan termisk energiöverföring-.

Graferna som kallas PV -tryckdiagram - Volym - Förklara situationen:

Figur 3. Till vänster Carnot-motorschemat och till höger P-V-diagrammet. Källa: Wikimedia Commons.

Till vänster, i figur 3 är Carnot C motorschema, som tar värme q₁ av insättningen vid temperatur t₁, Konvertera den värmen till arbete w och ge till avfall som₂ till den kallaste insättningen, som är vid temperatur t₂.

Från och med a expanderar systemet tills det når b och absorberar värme till fast temperatur t₁. I B börjar systemet en adiabatisk expansion där värme inte vinner eller förloras för att komma till C.

I C börjar en annan isotermisk process: att ge värme till den andra kallare termiska insättningen som är vid T₂. När detta händer är systemet komprimerat och punkt D uppnås. Det börjar en andra adiabatisk process för att återgå till utgångspunkten till. På detta sätt är en cykel klar.

Det kan tjäna dig: värmeöverföring genom att köra (med exempel)

Carnots effektivitet beror på temperaturen i Kelvin på de två termiska avlagringarna:

Maximal effektivitet = (q_ingång - Q_utgång) /Q_ingång = 1 - (T₂/T₁)

Carnots sats säger att detta är den mest effektiva termiska maskinen, men skynda dig inte att köpa den. Kommer du ihåg vad vi sa om processens reversibilitet? De måste hända mycket, mycket långsamt, så utgångseffekten för den här maskinen är praktiskt taget noll.

Mänsklig metabolism

Människor behöver energi för att få alla sina system att fungera, därför uppför sig de som termiska maskiner som får energi och förvandlar den till mekanisk energi för att till exempel flytta.

Effektivitet och av människokroppen när man gör ett jobb kan definieras som förhållandet mellan den mekaniska kraften som den kan ge och den totala energiinmatningen, som kommer med mat.

Som den genomsnittliga kraften P_m Det är W -arbete som görs i ett tidsintervall ΔT, Det kan uttryckas som:

P_m = W/Δt

Ja ΔU/ΔT Det är den hastighet som energi tillsätts, kroppseffektiviteten kvarstår:

Det anses att effektivitet är ett positivt belopp, som säkerställs med hjälp av absolut värdestänger i den tidigare formeln.

Genom många tester med frivilliga har effektiviteten på upp till 17%erhållits, vilket levererar cirka 100 watt kraft i flera timmar.

Naturligtvis kommer detta till stor del att bero på uppgiften som görs. Pedaling av en cykel har lite större effektivitet, på cirka 19 %, medan repetitiva uppgifter som inkluderar blad, toppar och hes har en effektivitet så låg som cirka 3 %.

Exempel

Den andra lagen om termodynamik är implicit i alla processer som förekommer i universum. Entropi växer alltid, även om det i vissa system verkar minska. För att detta skulle ha ökat någon annanstans, så att det i den totala balansen är positiv.

- I lärande finns det entropi. Det finns människor som lär sig saker och snabba, förutom att de lätt kan komma ihåg dem. Det sägs att de är människor med låg entropiinlärning, men de är säkert mindre många än de med hög entropi: de som har mest kommer ihåg de saker de studerar.

- Ett företag med oorganiserade arbetare har mer entropi än ett där arbetare utför uppgifter på ett ordnat sätt. Det är uppenbart att det senare kommer att vara mer effektivt än den första.

- Friktionskrafter genererar mindre effektivitet i maskinens funktion, eftersom de ökar mängden spridd energi som inte kan användas effektivt.

- Att lansera en tärning har en större entropi än att kasta ett mynt i luften. När allt kommer omkring, att lansera en valuta har bara två möjliga resultat, medan lanseringen av tärningarna är 6. Ju fler händelser är troliga, desto mer entropi finns det.

Kan tjäna dig: vad är rörelsens element?

Löst övningar

Övning 1

En cylinder med en kolv är fylld med en blandning av vätska och vattenånga vid 300 K och 750 kJ värme överförs till en konstant tryckprocess. Som ett resultat förångas vätskan inuti cylindern. Beräkna förändringen av entropi i processen.

Figur 4. Figur för exemplet Löst 1. Källa: f. Zapata.

Lösning

Processen som beskrivs i uttalandet utförs vid konstant tryck i ett stängt system, vilket inte upplever massutbyte.

Eftersom det är förångning, under vilken temperaturen inte förändras (under fasförändringarna är temperaturen konstant), kan definitionen av entropiförändring som anges ovan appliceras och temperaturen kan lämna integralen:

Utvärdera med de uppgifter som tillhandahålls:

ΔS = 750.000 j / 300 k = 2500 j / k.

Eftersom systemet kommer till systemet är förändringen i entropi positiv.

Övning 2

En gas lider av en tryckökning på 2.00 till 6.00 atmosfärer (ATM), upprätthåller en konstant volym på 1.00 m³, och expandera sedan vid konstant tryck tills det når en volym på 3.00 m³. Slutligen återvända till sitt ursprungliga tillstånd. Beräkna hur mycket arbete som utförs i en cykel.

Figur 5. Termodynamisk process i en gas till exempel 2. Källa: Serway -Valle. Fysikens grunder.

Lösning

Det är en cyklisk process där den inre energimärgen är ogiltig, enligt den första termodynamiklagen, därför q = w. I ett P -V -diagram (tryck - volym) motsvarar arbetet under en cyklisk process det område som låsts av kurvan. För att ge resultaten i det internationella systemet är det nödvändigt att ändra enheter i trycket genom följande omvandlingsfaktor:

1 atm = 101.325 kpa = 101.325 PA.

Området som är inneslutet av grafen motsvarar den för en triangel vars bas (3 - 1 m³) = 2 m³ och vars höjd är (6 - 2 atm) = 4 atm = 405.300 pa

W_Abca = ½ (2 m³ x 405300 pa) = 405300 j = 405.3 kJ.

Övning 3

Det sägs att en av de mest effektiva maskinerna som har byggts är en ångturbin som drivs av kol vid floden Ohio, som används för att driva en elektrisk generator som arbetar mellan 1870 och 430 ° C.

Beräkna: a) Maximal teoretisk effektivitet, b) den mekaniska kraften som levereras av maskinen om den absorberas 1.40 x 10⁵ J av energi varje sekund från den heta tanken. Det är känt att verklig effektivitet är 42.0%.

Lösning

a) Den maximala effektiviteten beräknas med ekvationen som anges ovan:

Maximal effektivitet = (q_ingång - Q _utgång) /Q_ingång = 1 - (T₂/T₁)

För att skicka Celsius till Kelvin räcker det att lägga till 273.15 Vid Celsius -temperaturen:

Multiplicera med 100% har du maximal procentuell effektivitet, vilket är 67.2%

c) Om den verkliga effektiviteten är 42%finns det en maximal effektivitet på 0.42.

Den levererade mekaniska kraften är: p = 0.42 x 1.40 x10 ⁵ J/s = 58800 w.

Referenser

1. Bauer, w. 2011. Fysik för teknik och vetenskap. Volym 1. MC Graw Hill.
2. Cengel och. 2012. Termodynamik. 7^ma Utgåva. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volym 4. Vätskor och termodynamik. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
4. Riddare, r.  2017. Fysik för forskare och teknik: En strategistrategi.
5. López, c. Termodynamikens första lag. Återhämtat sig från: kulturientifica.com.
6. Serway, R. 2011. Fysikens grunder. 9^na Cengage Learning.
7. Sevilla universitet. Termiska maskiner. Återhämtat sig från: Laplace.oss.är