PANGALAWANG BATAS NG THERMODYNAMICS: MGA PORMULA, EQUATION, HALIMBAWA - PISIKAL - 2025

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay may ilang mga anyo ng pagpapahayag. Ang isa sa mga ito ay nagsasabi na walang heat engine ang may kakayahang ganap na mai-convert ang lahat ng enerhiya na nasisipsip sa kapaki-pakinabang na gawain (pagbabalangkas ng Kelvin-Planck). Ang isa pang paraan ng pagsasabi nito ay ang pagsasabi na ang totoong proseso ay nangyayari sa isang kahulugan na ang kalidad ng enerhiya ay mas mababa dahil ang entropy ay may posibilidad na tumaas.

Ang batas na ito, na kilala rin bilang pangalawang prinsipyo ng thermodynamics, ay ipinahayag sa iba't ibang mga paraan sa paglipas ng panahon, mula noong unang bahagi ng ikalabinsiyam na siglo hanggang sa kasalukuyan, bagaman ang mga pinagmulan nito ay bumalik sa paglikha ng mga unang engine ng singaw sa England. , sa simula ng ika-18 siglo.

Larawan 1. Kapag inihagis ang mga bloke ng gusali sa lupa, ito ay magiging nakakagulat kung nahulog sila nang maayos. Pinagmulan: Pixabay.

Ngunit bagaman ipinapahayag ito sa maraming paraan, ang ideya na ang bagay ay may posibilidad na magkagulo at walang proseso na 100% na mahusay, dahil ang mga pagkalugi ay palaging umiiral.

Ang lahat ng mga thermodynamic system ay sumunod sa prinsipyong ito, nagsisimula sa uniberso mismo hanggang sa umaga ng tasa ng kape na tahimik na naghihintay sa mesa na nagpapalitan ng init sa kapaligiran.

Ang kape ay lumalamig habang lumilipas ang oras, hanggang sa ito ay nasa thermal equilibrium sa kapaligiran, kaya't nakakagulat kung ang isang araw ay kabaligtaran ang nangyari at ang kapaligiran ay pinalamig habang ang kape ay pinainit mismo. Hindi malamang na mangyari ito, sasabihin ng ilan na imposible, ngunit sapat na isipin ito upang makakuha ng isang ideya ng kamalayan kung saan ang mga bagay ay nangyayari nang kusang.

Sa isa pang halimbawa, kung mag-slide kami ng isang libro sa buong ibabaw ng isang mesa, tatanggi ito sa wakas, dahil ang enerhiya ng kinetic ay mawawala bilang init dahil sa alitan.

Ang una at pangalawang mga batas ng thermodynamics ay itinatag sa paligid ng 1850, salamat sa mga siyentipiko tulad ng Lord Kelvin - tagalikha ng term na "thermodynamics" -, si William Rankine - may-akda ng unang pormal na teksto sa thermodynamics - at Rudolph Clausius.

Mga formula at equation

Entropy - nabanggit sa simula - tumutulong sa amin upang maitaguyod ang kahulugan kung saan nangyari ang mga bagay. Balikan natin ang halimbawa ng mga katawan sa thermal contact.

Kapag ang dalawang bagay sa magkakaibang temperatura ay nakikipag-ugnay at sa wakas pagkatapos ay maabot ang thermal equilibrium, hinihimok sila dito sa pamamagitan ng katotohanan na ang entropy ay umaabot sa maximum, kapag ang temperatura ng pareho ay pareho.

Ang pagtukoy ng entropy bilang S, ang pagbabago sa entropy ΔS ng isang sistema ay ibinigay ng:

Ang pagbabago sa entropy ΔS ay nagpapahiwatig ng antas ng kaguluhan sa isang sistema, ngunit mayroong isang paghihigpit sa paggamit ng equation na ito: naaangkop lamang ito sa mga nababalik na proseso, iyon ay, ang mga kung saan ang sistema ay maaaring bumalik sa kanyang orihinal na estado nang hindi umaalis bakas ng nangyari-.

Sa hindi maibabalik na mga proseso, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay lilitaw tulad ng sumusunod:

Nababalik at hindi maibabalik na mga proseso

Ang tasa ng kape ay laging nakakakuha ng malamig at isang mabuting halimbawa ng isang hindi maibabalik na proseso, dahil laging nangyayari ito sa isang direksyon lamang. Kung nagdagdag ka ng cream sa kape at umiling, makakakuha ka ng isang napakagandang kumbinasyon, ngunit kahit gaano ka iling muli, hindi ka magkakaroon muli ng kape at cream, dahil ang pagpapakilos ay hindi maibabalik.

Larawan 2. Ang breakage ng Cup ay isang hindi maibabalik na proseso. Pinagmulan: Pixabay.

Bagaman ang karamihan sa mga pang-araw-araw na proseso ay hindi maibabalik, ang ilan ay halos mababalik. Ang pagbabalik-tanaw ay isang ideyalisasyon. Upang maganap ito, ang sistema ay dapat magbago nang napakabagal, sa paraang sa bawat puntong ito ay palaging nasa balanse. Sa ganitong paraan posible na maibalik ito sa isang nakaraang estado nang hindi umaalis sa isang bakas sa paligid.

Ang mga proseso na medyo malapit sa ideal na ito ay mas mahusay, dahil naghahatid sila ng isang mas malaking halaga ng trabaho na may mas kaunting pagkonsumo ng enerhiya.

Ang puwersa ng alitan ay may pananagutan sa halos hindi mababago, sapagkat ang init na nabuo nito ay hindi ang uri ng enerhiya na hinahangad. Sa pag-slide ng libro sa mesa, ang frictional heat ay enerhiya na hindi mababawi.

Kahit na ang libro ay bumalik sa kanyang orihinal na posisyon, ang talahanayan ay magiging mainit bilang isang bakas ng darating at pagpunta sa ito.

Ngayon tingnan ang isang maliwanag na bombilya ng maliwanag na maliwanag: ang karamihan sa gawaing ginagawa ng kasalukuyang sa pamamagitan ng filament ay nasayang sa init ng Joule effect. Kaunting porsyento lamang ang ginagamit upang maglabas ng ilaw. Sa parehong mga proseso (libro at light bombilya), ang entropy ng system ay tumaas.

Aplikasyon

Ang isang perpektong motor ay isa na itinayo gamit ang nababaligtad na mga proseso at walang pagkikiskisan na nagdudulot ng basura ng enerhiya, na nagko-convert ang halos lahat ng thermal energy sa magagamit na trabaho.

Binibigyang diin namin ang salitang halos, dahil hindi kahit na ang perpektong engine, na kung saan ay Carnot's, ay 100% na mahusay. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nag-aalaga na hindi ito ang kaso.

Carnot engine

Ang Carnot engine ay ang pinaka mahusay na makina na maaaring maisip. Nagpapatakbo ito sa pagitan ng dalawang tangke ng temperatura sa dalawang proseso ng isothermal - sa pare-pareho ang temperatura - at dalawang proseso ng adiabatic - nang walang paglipat ng thermal energy.

Ang mga graph na tinatawag na PV - mga diagram ng presyon ng lakas ng tunog - linawin ang sitwasyon nang isang sulyap:

Larawan 3. Sa kaliwa ang diagram ng motor na Carnot at sa kanan ng diagram ng PV. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Sa kaliwa, sa figure 3 ay ang diagram ng Carnot engine C, na tumatagal ng init Q ₁ mula sa tangke na nasa temperatura T ₁ , nagko-convert na ang init sa trabaho W at inililipat ang basura Q ₂ sa colder tank, na kung saan ay nasa temperatura T ₂ .

Simula mula sa A, ang sistema ay lumalawak hanggang sa maabot nito ang B, sumisipsip ng init sa nakapirming temperatura T ₁ . Sa B, ang sistema ay nagsisimula ng isang pagpapalawak ng adiabatic kung saan walang init na nakuha o nawala, upang maabot ang C.

Sa C isa pang proseso ng isothermal ay nagsisimula: na ang paglilipat ng init sa iba pang mas malamig na thermal deposit na nasa T ₂ . Sa nangyayari ito, ang sistema ay pumipilit at umabot sa punto D. May nagsisimula isang pangalawang proseso ng adiabatic upang bumalik sa panimulang punto A. Sa ganitong paraan nakumpleto ang isang siklo.

Ang kahusayan ng Carnot engine ay nakasalalay sa mga temperatura sa Kelvin ng dalawang thermal reservoir:

Ang teorem ng Carnot ay nagsasaad na ito ang pinaka mahusay na heat engine doon, ngunit huwag masyadong mabilis na bilhin ito. Tandaan mo ang sinabi namin tungkol sa reversibility ng mga proseso? Kailangang mangyari ito, napakabagal, kaya ang lakas ng output ng makina na ito ay halos hindi nilalaro.

Ang metabolismo ng tao

Ang mga tao ay nangangailangan ng enerhiya upang mapanatili ang lahat ng kanilang mga system na gumagana, samakatuwid sila ay kumilos tulad ng mga thermal machine na tumatanggap ng enerhiya at ibahin ang anyo nito bilang mekanikal na enerhiya upang, halimbawa, ilipat.

Ang kahusayan ng katawan ng tao kapag gumagawa ng trabaho ay maaaring tukuyin bilang quient sa pagitan ng mekanikal na kapangyarihan na maibibigay nito at ang kabuuang input ng enerhiya na dala ng pagkain.

Dahil ang ibig sabihin ng kapangyarihan P _m ay gumana W tapos sa isang agwat ng oras, maaari itong ipahiwatig bilang:

Kung ang ΔU / Δt ay ang rate kung saan idinagdag ang enerhiya, ang kahusayan ng katawan ay nagiging:

Sa pamamagitan ng maraming pagsubok sa mga boluntaryo, nakamit ang kahusayan ng hanggang sa 17%, na naghatid ng 100 watts ng kapangyarihan sa loob ng maraming oras.

Siyempre, depende sa lahat sa gawain na nagawa. Ang pedaling isang bisikleta ay may isang bahagyang mas mataas na kahusayan, sa paligid ng 19%, habang ang mga paulit-ulit na mga gawain na kasama ang mga pala, picks at hoes ay kasingbaba ng tungkol sa 3%.

Mga halimbawa

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay implicit sa lahat ng mga proseso na nagaganap sa Uniberso. Ang entropy ay palaging tumataas, kahit na sa ilang mga sistema ay lumilitaw na bumababa. Upang mangyari ito ay kailangang tumaas sa ibang lugar, upang sa kabuuang balanse ito ay positibo.

- Sa pag-aaral mayroong entropy. May mga taong natututo nang maayos at mabilis, pati na rin maalala ang mga ito nang madali. Sinasabing ang mga ito ay mga taong may mababang pag-aaral ng entropy, ngunit tiyak na sila ay hindi gaanong marami kaysa sa mga may mataas na entropy: yaong mga nahihirapang alalahanin ang mga bagay na kanilang pinag-aaralan.

- Ang isang kumpanya na may disorganized na mga manggagawa ay may higit na entropy kaysa sa kung saan ang mga manggagawa ay nagsasagawa ng mga gawain sa maayos na paraan. Malinaw na ang huli ay magiging mas mahusay kaysa sa dating.

- Ang mga puwersa ng pagkiskis ay bumubuo ng hindi gaanong kahusayan sa pagpapatakbo ng makinarya, sapagkat pinapataas nila ang halaga ng dissipated na enerhiya na hindi maaaring magamit nang mahusay.

- Ang paglulunsad ng dice ay may isang mas mataas na entropy kaysa sa flipping ng isang barya. Pagkatapos ng lahat, ang paghuhugas ng barya ay may 2 posibleng mga kinalabasan, habang ang pagtapon ng mamatay ay may 6. Ang mas maraming mga kaganapan na malamang, ang higit pang entropy ay mayroon.

Malutas na ehersisyo

Ehersisyo 1

Ang isang piston silindro ay puno ng isang halo ng likido at singaw sa 300 K at 750 kJ ng init ay inilipat sa tubig sa pamamagitan ng isang palaging proseso ng presyon. Bilang isang resulta, ang likido sa loob ng silindro ay nag-singaw. Kalkulahin ang pagbabago sa entropy sa proseso.

Larawan 4. Larawan para sa nalutas na halimbawa 1. Pinagmulan: F. Zapata.

Solusyon

Ang proseso na inilarawan sa pahayag ay isinasagawa sa palaging presyon sa isang saradong sistema, na hindi sumasailalim sa palitan ng masa.

Dahil ito ay isang singaw, kung saan ang temperatura ay hindi nagbabago alinman (sa panahon ng pagbabago ng temperatura ay pare-pareho), ang kahulugan ng pagbabago ng entropy na ibinigay sa itaas ay maaaring mailapat at ang temperatura ay maaaring lumabas sa labas ng integral:

ΔS = 750,000 J / 300 K = 2,500 J / K.

Dahil ang init ay pumapasok sa system, positibo ang pagbabago sa entropy.

Mag-ehersisyo 2

Ang isang gas ay sumasailalim sa pagtaas ng presyon mula sa 2.00 hanggang 6.00 na mga atmospheres (atm), na nagpapanatili ng isang palaging dami ng 1.00 m ³ , at pagkatapos ay palawakin ang palagiang presyon hanggang sa maabot ang dami ng 3.00 m ³ . Sa wakas ay bumalik ito sa paunang estado. Kalkulahin kung magkano ang ginagawa sa 1 cycle.

Larawan 5. Ang proseso ng Thermodynamic sa isang gas halimbawa 2. Pinagmulan: Serway -Vulle. Mga Batayan ng Pisika.

Solusyon

Ito ay isang proseso ng paikot na kung saan ang panloob na pagkakaiba-iba ng enerhiya ay zero, ayon sa unang batas ng thermodynamics, samakatuwid Q = W. Sa isang diagram ng PV (presyon - lakas ng tunog), ang gawaing ginagawa sa panahon ng isang siklo na proseso ay katumbas. sa lugar na nakapaloob sa curve. Upang mabigyan ang mga resulta sa International System kinakailangan na gumawa ng pagbabago ng mga yunit sa presyon gamit ang sumusunod na kadahilanan ng conversion:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 Pa.

Ang lugar na nakapaloob sa pamamagitan ng grap ay tumutugma sa isang tatsulok na ang base (3 - 1 m ³ ) = 2 m ³ at na ang taas ay (6 - 2 atm) = 4 atm = 405,300 Pa

W _ABCA = ½ (2 m ³ x 405300 Pa) = 405300 J = 405.3 kJ.

Mag-ehersisyo 3

Ang isa sa mga pinaka-mahusay na makina na binuo kailanman ay sinasabing isang turbine na steam-fired steam sa Ohio River, na ginagamit upang mabigyan ng kapangyarihan ang isang electric generator na nagpapatakbo sa pagitan ng 1870 at 430 ° C.

Kalkulahin: a) Ang pinakamataas na teoretikal na kahusayan, b) Ang mekanikal na lakas na ipinadala ng makina kung sumisipsip ng 1.40 x 10 ⁵ J ng bawat segundo mula sa mainit na tangke. Ang aktwal na kahusayan ay kilala na 42.0%.

Solusyon

a) Ang maximum na kahusayan ay kinakalkula kasama ang equation na ibinigay sa itaas:

Upang mabago ang degree centigrade sa kelvin, magdagdag lamang ng 273.15 sa temperatura ng sentigrade:

Ang pagdaragdag ng 100% ay nagbibigay ng pinakamataas na kahusayan ng porsyento, na kung saan ay 67.2%

c) Kung ang tunay na kahusayan ay 42%, mayroong isang maximum na kahusayan ng 0.42.

Ang kapangyarihang mekanikal na naihatid ay: P = 0.42 x 1.40 x10 ⁵ J / s = 58800 W.

Mga Sanggunian

1. Bauer, W. 2011. Physics para sa Teknolohiya at Siyensya. Dami 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Thermodynamics. 7 ^ma Edition. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serye: Physics para sa Science at Engineering. Dami 4. Mga likido at Thermodynamics. Na-edit ni Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Physics para sa Siyentipiko at Teknolohiya: isang Diskarte sa Diskarte.
5. López, C. Ang Unang Batas ng Thermodynamics. Nabawi mula sa: culturacientifica.com.
6. Serway, R. 2011. Mga Batayan ng Pisika. 9 ^na Cengage Learning.
7. Sevilla University. Mga Thermal Machines. Nabawi mula sa: laplace.us.es