Termodünaamika (kreeka keeles θέρμη - "soojus", δύναμις - "jõud") on füüsika haru, mis uurib makroskoopiliste süsteemide kõige üldisemaid omadusi ning sellistes süsteemides energia ülekandmise ja muundamise meetodeid.
Termodünaamikas uuritakse olekuid ja protsesse, mille kirjeldamiseks saab kasutusele võtta temperatuuri mõiste. Termodünaamika (T.) on fenomenoloogiline teadus, mis põhineb eksperimentaalsete faktide üldistustel. Termodünaamilistes süsteemides toimuvaid protsesse kirjeldatakse makroskoopiliste suurustega (temperatuur, rõhk, komponentide kontsentratsioonid), mis on kasutusele võetud suurest hulgast osakestest koosnevate süsteemide kirjeldamiseks ja mis ei ole rakendatavad üksikute molekulide ja aatomite puhul, erinevalt nt. mehaanikas või elektrodünaamikas kasutusele võetud kogused.
Kaasaegne fenomenoloogiline termodünaamika on range teooria, mis on välja töötatud mitme postulaadi alusel. Nende postulaatide seose nende osakeste omaduste ja vastastikmõju seadustega, millest termodünaamilised süsteemid ehitatakse, annab aga statistiline füüsika. Statistiline füüsika võimaldab selgitada ka termodünaamika rakendatavuse piire.
Termodünaamika seadused on oma olemuselt üldised ega sõltu aine struktuuri konkreetsetest üksikasjadest aatomi tasandil. Seetõttu rakendatakse termodünaamikat edukalt paljudes teaduse ja tehnoloogia küsimustes, nagu energia, soojustehnika, faasisiirded, keemilised reaktsioonid, transpordinähtused ja isegi mustad augud. Termodünaamika on oluline paljudes füüsika ja keemia, keemiatehnoloogia, kosmosetehnika, masinaehituse, rakubioloogia, biomeditsiinitehnika, materjaliteaduse valdkondades ning leiab isegi rakendust sellistes valdkondades nagu majandus.
Tähtsad aastad termodünaamika ajaloos
- Termodünaamika kui teaduse teket seostatakse G. Galilei nimega, kes võttis kasutusele temperatuuri mõiste ja konstrueeris esimese seadme, mis reageeris ümbritseva õhu temperatuuri muutustele (1597).
- Peagi lõid G. D. Fahrenheit (1714), R. Reaumur (1730) ja A. Celsius (1742) selle põhimõtte järgi temperatuuriskaalad.
- J. Black võttis juba 1757. aastal kasutusele latentse sulamissoojuse ja soojusmahtuvuse mõisted (1770). Ja Wilcke (J. Wilcke, 1772) võttis kasutusele kalorite määratluse kui soojushulga, mis on vajalik 1 g vee soojendamiseks 1 °C võrra.
- Lavoisier (A. Lavoisier) ja Laplace (P. Laplace) konstrueerisid kalorimeetri 1780. aastal (vt Kalorimeetria) ja määrasid esimest korda katseliselt löögi. mitmete ainete soojusmahtuvus.
- 1824. aastal avaldas S. Carnot (N. L, S. Carnot) teose, mis oli pühendatud soojusmasinate tööpõhimõtete uurimisele.
- B. Clapeyron võttis kasutusele termodünaamiliste protsesside graafilise esituse ja töötas välja lõpmata väikeste tsüklite meetodi (1834).
- G. Helmholtz märkis energia jäävuse seaduse universaalsust (1847). Järgnevalt töötasid R. Clausius ja W. Thomson (Kelvin; W. Thomson) süstemaatiliselt välja termodünaamika teoreetilise aparaadi, mis põhineb termodünaamika esimesel ja teisel termodünaamika seadusel.
- 2. printsiibi areng viis Clausiuse entroopia määratluseni (1854) ja entroopia suurenemise seaduse sõnastamiseni (1865).
- Alates J. W. Gibbsi (1873) töödest, kes pakkus välja termodünaamiliste potentsiaalide meetodi, on välja töötatud termodünaamilise tasakaalu teooria.
- 2. poolajal. 19. sajand viidi läbi reaalsete gaaside uuringud. Erilist rolli mängisid T. Andrewsi katsed, kes avastas esmakordselt vedelik-aur süsteemi kriitilise punkti (1861), selle olemasolu ennustas D. I. Mendelejev (1860).
- 19. sajandi lõpuks. suuri edusamme tehti madalate temperatuuride saavutamisel, mille tulemusena O2, N2 ja H2 veeldusid.
- 1902. aastal avaldas Gibbs töö, milles kõik põhilised termodünaamilised seosed saadi statistilise füüsika raames.
- Seos kineetika vahel keha omadused ja selle termodünaamika. tunnused kehtestas L. Onsager (L. Onsager, 1931).
- 20. sajandil uuris intensiivselt tahkete ainete, aga ka kvantvedelike ja vedelkristallide termodünaamikat, milles toimuvad mitmekesised faasisiirded.
- L. D. Landau (1935-37) töötas välja üldise faasisiirete teooria, mis põhines spontaanse sümmeetria katkemise kontseptsioonil.
Termodünaamika lõigud
Kaasaegne fenomenoloogiline termodünaamika jaguneb tavaliselt tasakaaluliseks (või klassikaliseks) termodünaamikaks, mis uurib tasakaalulisi termodünaamilisi süsteeme ja sellistes süsteemides toimuvaid protsesse, ja mittetasakaaluliseks termodünaamikaks, mis uurib mittetasakaalulisi protsesse süsteemides, mille kõrvalekalle termodünaamilisest tasakaalust on suhteliselt väike ja võimaldab siiski termodünaamilist. kirjeldus.
Tasakaalu (või klassikaline) termodünaamika
Tasakaalutermodünaamikas võetakse kasutusele sellised muutujad nagu siseenergia, temperatuur, entroopia ja keemiline potentsiaal. Neid kõiki nimetatakse termodünaamilisteks parameetriteks (kogusteks). Klassikaline termodünaamika uurib termodünaamiliste parameetrite seoseid omavahel ja teistes füüsikaharudes arvesse võetud füüsikaliste suurustega, näiteks süsteemile mõjuva gravitatsiooni- või elektromagnetväljaga. Klassikalise termodünaamika uurimisse kuuluvad ka keemilised reaktsioonid ja faasisiirded. Kuid termodünaamiliste süsteemide uurimine, milles keemilised muundumised mängivad olulist rolli, on keemilise termodünaamika teema ja soojustehnika tegeleb tehniliste rakendustega.
Klassikaline termodünaamika sisaldab järgmisi jaotisi:
- termodünaamika põhimõtted (mida mõnikord nimetatakse ka seadusteks või aksioomideks)
- lihtsate termodünaamiliste süsteemide oleku- ja omaduste võrrandid (ideaalgaas, reaalgaas, dielektrikud ja magnetid jne)
- tasakaaluprotsessid lihtsate süsteemidega, termodünaamilised tsüklid
- mittetasakaalulised protsessid ja mittekahaneva entroopia seadus
- termodünaamilised faasid ja faasisiirded
Lisaks hõlmab kaasaegne termodünaamika ka järgmisi valdkondi:
- termodünaamika range matemaatiline formuleering, mis põhineb kumeral analüüsil
- mitteulatuslik termodünaamika
Süsteemides, mis ei ole termodünaamilises tasakaalus, näiteks liikuvas gaasis, saab kasutada lokaalset tasakaalulähendit, mille puhul eeldatakse, et tasakaalulised termodünaamilised seosed on lokaalselt täidetud süsteemi igas punktis.
Mittetasakaaluline termodünaamika
Mittetasakaalulises termodünaamikas peetakse muutujaid lokaalseteks mitte ainult ruumis, vaid ka ajas, see tähendab, et aeg võib oma valemitesse selgesõnaliselt sisestada. Märkigem, et Fourier’ klassikaline soojusjuhtivuse küsimustele pühendatud teos “Analüütiline soojusteooria” (1822) edestas mitte ainult mittetasakaalulise termodünaamika esilekerkimist, vaid ka Carnot’ teost “Mõtisklused tule liikumapanevast jõust ja edasist. masinad, mis on võimelised seda jõudu arendama” (1824), mida üldiselt peetakse klassikalise termodünaamika ajaloo lähtepunktiks.
Termodünaamika põhimõisted
Termodünaamiline süsteem– vaimselt või tegelikult keskkonnast eraldatud keha või kehade rühm.
Homogeenne süsteem– süsteem, mille sees ei ole süsteemi osi (faase) eraldavaid pindu, mille omadused erinevad.
Heterogeenne süsteem- süsteem, mille sees on pinnad, mis eraldavad süsteemi osi, mis erinevad omaduste poolest.
Faas– heterogeense süsteemi homogeensete osade kogum, mis on füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolest identsed ja mis on süsteemi muudest osadest eraldatud nähtavate liidestega.
Isoleeritud süsteem- süsteem, mis ei vaheta keskkonnaga ei ainet ega energiat.
Suletud süsteem- süsteem, mis vahetab keskkonnaga energiat, kuid ei vaheta ainet.
Avatud süsteem– süsteem, mis vahetab keskkonnaga nii ainet kui energiat.
Süsteemi iseloomustab kõigi füüsikaliste ja keemiliste omaduste kogum termodünaamiline olek. Kõik vaadeldava süsteemi makroskoopilisi omadusi iseloomustavad suurused on oleku parameetrid. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et antud süsteemi ühemõtteliseks iseloomustamiseks on vaja kasutada teatud arvu parameetreid nn. sõltumatu; kõiki teisi parameetreid käsitletakse sõltumatute parameetrite funktsioonidena. Sõltumatuteks olekuparameetriteks valitakse tavaliselt parameetrid, mida saab vahetult mõõta, nagu temperatuur, rõhk, kontsentratsioon jne. Igasugune muutus süsteemi termodünaamilises olekus (muutus vähemalt ühes olekuparameetris) on termodünaamiline protsess.
Pööratav protsess– protsess, mis võimaldab süsteemil naasta algsesse olekusse ilma, et keskkonda jääks mingeid muutusi.
Tasakaaluprotsess– protsess, mille käigus süsteem läbib pideva tasakaaluolekute jada.
Energia– süsteemi töövõime mõõt; aine liikumise ja vastastikmõju üldine kvalitatiivne mõõt. Energia on mateeria lahutamatu omadus. Eristatakse potentsiaalset energiat, mis on põhjustatud keha asukohast teatud jõudude väljas, ja kineetilist energiat, mis on põhjustatud keha asukoha muutumisest ruumis.
Süsteemi siseenergia– kõigi süsteemi moodustavate osakeste kineetilise ja potentsiaalse energia summa. Saate määratleda ka süsteemi siseenergia kui selle koguenergia, millest on lahutatud süsteemi kui terviku kineetiline ja potentsiaalne energia.
Energia ülemineku vormid
Energia ülekandmise vormid ühest süsteemist teise võib jagada kahte rühma.
- Esimesse rühma kuulub ainult üks liikumise ülemineku vorm kahe kontaktis oleva keha molekulide kaootiliste kokkupõrgete kaudu, s.t. soojusjuhtivuse (ja samal ajal kiirguse) kaudu. Sel viisil edastatava liikumise mõõdupuuks on soojus. Soojus on energia ülekande vorm molekulide ebakorrapärase liikumise kaudu.
- Teise rühma kuuluvad erinevad liikumise ülemineku vormid, mille ühiseks tunnuseks on väga suurt hulka molekule katvate masside (st makroskoopiliste masside) liikumine mis tahes jõudude mõjul. Need on kehade tõstmine gravitatsiooniväljas, teatud koguse elektri üleminek kõrgemalt elektrostaatiliselt potentsiaalilt väiksemale, rõhu all oleva gaasi paisumine jne. Selliste meetoditega edastatava liikumise üldmõõduks on töö - osakeste korrapärase liikumise kaudu toimuva energiaülekande vorm.
Kuumus ja töö iseloomustavad kvalitatiivselt ja kvantitatiivselt kahte erinevat liikumisviisi, mis liiguvad materiaalse maailma antud osast teise. Soojust ja tööd ei saa keha sisse hoida. Kuumus ja töö tekivad ainult siis, kui protsess toimub, ja iseloomustavad ainult protsessi. Staatilistes tingimustes soojust ja tööd ei eksisteeri. Termodünaamika poolt lähtepositsioonina aktsepteeritud soojuse ja töö erinevus ning soojuse vastandamine tööle on mõttekas ainult paljudest molekulidest koosnevate kehade puhul, sest ühe molekuli või väheste molekulide kogumi puhul kaotavad soojuse ja töö mõisted oma tähenduse. Seetõttu käsitleb termodünaamika ainult kehasid, mis koosnevad suurest hulgast molekulidest, s.t. niinimetatud makroskoopilised süsteemid.
Kolm termodünaamika põhimõtet
Termodünaamika põhimõtted on termodünaamika aluseks olevate postulaatide kogum. Need sätted kehtestati teadusliku uurimistöö tulemusena ja neid tõestati eksperimentaalselt. Neid aktsepteeritakse postulaatidena, et termodünaamikat saaks konstrueerida aksiomaatiliselt.
Termodünaamika põhimõtete vajadus tuleneb sellest, et termodünaamika kirjeldab süsteemide makroskoopilisi parameetreid ilma konkreetsete eeldusteta nende mikroskoopilise struktuuri kohta. Statistiline füüsika tegeleb sisestruktuuri küsimustega.
Termodünaamika põhimõtted on sõltumatud, see tähendab, et ühtki neist ei saa tuletada teistest printsiipidest. Newtoni kolme mehaanikaseaduse analoogid on kolm termodünaamika põhimõtet, mis ühendavad mõisted "soojus" ja "töö":
- Termodünaamika nullseadus räägib termodünaamilisest tasakaalust.
- Termodünaamika esimene seadus puudutab energia jäävust.
- Termodünaamika teine seadus puudutab soojusvoogusid.
- Termodünaamika kolmas seadus puudutab absoluutse nulli kättesaamatust.
Termodünaamika üldine (null)seadus
Termodünaamika üldine (null)seadus ütleb, et kaks keha on soojusliku tasakaalu seisundis, kui nad suudavad üksteisele soojust üle kanda, kuid seda ei juhtu.
Pole raske arvata, et kaks keha ei anna üksteisele soojust üle, kui nende temperatuur on võrdne. Näiteks kui mõõdate termomeetriga inimkeha temperatuuri (mõõtmise lõpus on inimese temperatuur ja termomeetri temperatuur võrdsed) ja seejärel mõõtke sama termomeetri abil temperatuuri vannitoas olevast veest ja selgub, et mõlemad temperatuurid langevad kokku (inimese ja termomeetri ja termomeetri vahel on termiline tasakaal), võib öelda, et inimene on vannis oleva veega termilises tasakaalus.
Eelnevast lähtudes saame sõnastada termodünaamika nullseaduse järgmiselt: kaks keha, mis on termilises tasakaalus kolmandaga, on ka omavahel termilises tasakaalus.
Füüsikalisest vaatenurgast seab võrdluspunkti termodünaamika nullseadus, kuna kahe sama temperatuuriga keha vahel puudub soojusvoog. Teisisõnu võime öelda, et temperatuur pole midagi muud kui termilise tasakaalu näitaja.
Termodünaamika esimene seadus
Termodünaamika esimene seadus on soojusenergia jäävuse seadus, mis ütleb, et energia ei kao ilma jälgi jätmata.
Süsteem võib kas neelata või vabastada soojusenergiat Q, samal ajal kui süsteem teeb tööd W ümbritsevatel kehadel (või ümbritsevad kehad teevad süsteemi kallal tööd) ning süsteemi siseenergia, mille algväärtus oli ühik, on võrdne Uendiga:
Uend-Ustart = ΔU = Q-W
Soojusenergia, töö ja siseenergia määravad süsteemi koguenergia, mis on konstantne väärtus. Kui teatud kogus soojusenergiat Q süsteemist üle kanda (ära võtta), siis töö puudumisel suureneb (väheneb) süsteemi U siseenergia hulk Q võrra.
Termodünaamika teine seadus
Termodünaamika teine seadus ütleb, et soojusenergia saab liikuda ainult ühes suunas – kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale, aga mitte vastupidi.
Termodünaamika kolmas seadus
Termodünaamika kolmas seadus ütleb, et ükski protsess, mis koosneb lõplikust arvust etappidest, ei lase sellel saavutada absoluutse nulli temperatuuri (kuigi sellele on võimalik oluliselt läheneda).
Termodünaamika teisel seadusel on mitu sõnastust, millest kaks on toodud allpool:
· soojus ei saa iseenesest liikuda madalama temperatuuriga kehalt kõrgema temperatuuriga kehale(R. Clausiuse sõnastus);
· teist tüüpi igiliikur on võimatu, see tähendab selline perioodiline protsess, mille ainsaks tulemuseks oleks soojuse muundamine tööks ühe keha jahutamise tõttu (Thomsoni sõnastus).
Termodünaamika teine seadus näitab kahe energiaülekande vormi – töö ja soojuse – ebavõrdsust. See seadus võtab arvesse asjaolu, et keha kui terviku korrapärase liikumise energia (mehaaniline energia) ülemineku protsess selle osakeste korrapäratu liikumise energiaks (soojusenergia) on pöördumatu. Näiteks hõõrdumisel tekkiv mehaaniline energia muudetakse soojuseks ilma täiendavate protsessideta. Osakeste korratu liikumise energia (siseenergia) üleminek töösse on võimalik ainult siis, kui sellega kaasneb mingi lisaprotsess. Seega toodab otsetsüklis töötav soojusmasin tööd ainult tänu küttekehast antavale soojusele, kuid samal ajal kantakse osa saadud soojusest üle külmkappi.
Entroopia lisaks sisemisele energiale U, mis on süsteemi olekuparameetrite unikaalne funktsioon, termodünaamikas kasutatakse laialdaselt teisi olekufunktsioone (; vaba energia, entalpia Ja entroopia).
Kontseptsioon entroopia tutvustas 1865. aastal Rudolf Clausius. See sõna pärineb kreeka keelest. entroopia ja sõna otseses mõttes tähendab keerata, muutumine. termodünaamikas kasutatakse seda terminit erinevate energialiikide (mehaaniline, elektriline, valgus, keemiline) muundamise kirjeldamiseks soojuseks, see tähendab molekulide juhuslikuks, kaootiliseks liikumiseks. Seda energiat on võimatu koguda ja muuta see tagasi liigiks, millest see saadi.
Määramiseks pöördumatu hajumise meetmed või hajumine energia ja see kontseptsioon võeti kasutusele. Entroopia S on riigi funktsioon. See paistab teiste termodünaamiliste funktsioonide hulgas silma selle poolest, et tal on statistiline, see tähendab tõenäosuslikku olemust.
Kui termodünaamilises süsteemis toimub protsess, mis hõlmab soojuse vastuvõtmist või vabanemist, viib see süsteemi entroopia muutumiseni, mis võib kas suureneda või väheneda. Pöördumatu tsükli ajal isoleeritud süsteemi entroopia suureneb
dS> 0. (3.4)
See tähendab, et süsteemis toimub pöördumatu energia hajumine.
Kui suletud süsteemis toimub pöörduv protsess, jääb entroopia muutumatuks
dS= 0. (3.5)
Eraldatud süsteemi entroopia muutus, millele edastatakse lõpmatult väike kogus soojust, määratakse seosega:
. (3.6)
See seos kehtib pöörduva protsessi puhul. Suletud süsteemis toimuva pöördumatu protsessi jaoks on meil:
dS> .
Avatud süsteemis entroopia alati suureneb. Nimetatakse olekufunktsiooni, mille diferentsiaal on vähendatud kuumus.
Seega kõikides suletud süsteemis toimuvates protsessides entroopia suureneb pöördumatute protsesside käigus ja jääb pöörduvate protsesside käigus muutumatuks. Järelikult saab valemeid (3.4) ja (3.5) kombineerida ja esitada kujul
dS ³ 0.
See statistiline termodünaamika teise seaduse sõnastus.
Kui süsteem teeb tasakaalusiirde olekust 1 olekusse 2, siis vastavalt võrrandile (3.6) , entroopia muutus
D S 1-
2 = S 2 – S 1 = 
.
Füüsilist tähendust ei oma entroopia ise, vaid entroopiate erinevus.
Leiame ideaalse gaasi protsesside entroopia muutuse. Sest:
; 
;
,
või: 
. (3.7)
See näitab, et ideaalse gaasi entroopia muutus üleminekul olekust 1 olekusse 2 ei sõltu üleminekuprotsessi 1® 2 tüübist.
Valemist (3.7) järeldub, et millal isotermiline protsess ( T 1 = T 2):
.
Kell isohooriline protsessi, entroopia muutus on võrdne
.
Kuna adiabaatilise töötluse jaoks K= 0, siis uD S= 0, seega toimub konstantse entroopia juures pöörduv adiabaatiline protsess. Sellepärast nad kutsuvad teda isentroopiline protsess.
Süsteemi entroopial on liiteomadus, mis tähendab, et süsteemi entroopia võrdub kõigi süsteemi osaks olevate kehade entroopiate summaga.
Entroopia tähendus saab selgemaks, kui kaasame statistilise füüsika. Selles seostatakse entroopiat süsteemi oleku termodünaamiline tõenäosus. Süsteemi oleku termodünaamiline tõenäosus W on võrdne osakeste kõigi võimalike mikrojaotuste arvuga piki koordinaate ja kiirusi, mis määrab antud makrooleku: Walways³ 1, see on termodünaamiline tõenäosus ei ole tõenäosus matemaatilises mõttes.
L. Boltzmann (1872) näitas, et süsteemi entroopia on võrdne Boltzmanni konstandi korrutisega k antud oleku termodünaamilise tõenäosuse W logaritmi järgi
Järelikult saab entroopiale anda järgmise statistilise tõlgenduse: entroopia on süsteemi häire mõõt. Valemist (3.8) on selge: mida suurem arv mikroolekuid realiseerivad antud makrooleku, seda suurem on entroopia. Süsteemi kõige tõenäolisem olek on tasakaaluseisund. Mikroolekute arv on maksimaalne, seega on entroopia maksimaalne.
Kuna kõik reaalsed protsessid on pöördumatud, võib väita, et kõik protsessid suletud süsteemis toovad kaasa entroopia suurenemise – entroopia suurendamise printsiibi.
Entroopia statistilises tõlgenduses tähendab see seda, et suletud süsteemis kulgevad protsessid vähemtõenäolistest olekutest tõenäolisematesse olekutesse kuni olekute tõenäosuse maksimumini.
Selgitame näitega. Kujutagem ette anumat, mis on vaheseinaga jagatud kaheks võrdseks osaks A Ja B. Osaliselt A gaas on ja sees B- vaakum. Kui teete vaheseinale augu, hakkab gaas kohe "iseenesest" paisuma ja jaotub mõne aja pärast ühtlaselt kogu anuma mahus ning see kõige tõenäolisemalt süsteemi olek. Vähimtõenäoline tekib seisund, kui enamik gaasimolekule täidab ootamatult spontaanselt ühe anuma poole. Võite seda nähtust oodata nii kaua, kui soovite, kuid gaas ise ei kogune osadeks. A. Selleks tuleb gaasiga veidi tööd teha: näiteks liigutada kolvi moodi detaili paremat seina B. Seega kipub iga füüsiline süsteem liikuma vähemtõenäolisest olekust tõenäolisemasse olekusse. Süsteemi tasakaaluseisund on tõenäolisem.
Kasutades entroopia mõistet ja R. Clausiuse ebavõrdsust, termodünaamika teine seadus Seda saab sõnastada kui suletud süsteemi entroopia suurenemise seadust pöördumatute protsesside käigus:
mis tahes pöördumatu protsess suletud süsteemis toimub nii, et süsteem satub tõenäolisemalt kõrgema entroopiaga olekusse, saavutades maksimumi tasakaaluseisundis. Või muidu:
suletud süsteemides toimuvates protsessides entroopia ei vähene.
Pange tähele, et me räägime ainult suletud süsteemidest.
Niisiis, termodünaamika teine seadus on statistiline seadus. See väljendab isoleeritud süsteemi osaks olevate suure hulga osakeste vajalikke kaootilise liikumise mustreid. Statistilised meetodid on aga rakendatavad vaid juhul, kui süsteemis on tohutult palju osakesi. Väikese arvu osakeste (5–10) puhul see lähenemisviis ei kehti. Sel juhul ei ole tõenäosus, et kõik osakesed on ühes pooles ruumalast, enam null ehk teisisõnu võib selline sündmus aset leida.
Universumi kuumsurm. R. Clausius, pidades Universumit suletud süsteemiks ja rakendades sellele termodünaamika teist seadust, taandas kõik väitele, et Universumi entroopia peab saavutama maksimumi. See tähendab, et kõik liikumise vormid peavad muutuma soojusliikumiseks, mille tulemusena muutub aja jooksul kõigi universumi kehade temperatuur võrdseks, tekib täielik termiline tasakaal ja kõik protsessid lihtsalt peatuvad: universumi termiline surm. Universum tekib.
Termodünaamika põhivõrrand . See võrrand ühendab termodünaamika esimese ja teise seaduse valemid:
d K = dU + p dV, (3.9)
Asendame termodünaamika teist seadust väljendava võrrandi (3.9) võrrandiga (3.10):
.
Seda see on termodünaamika põhivõrrand.
Kokkuvõtteks märgime veel kord, et kui termodünaamika esimene seadus sisaldab protsessi energiabilanssi, siis teine seadus näitab selle võimalikku suunda.
Termodünaamika kolmas seadus
Teise termodünaamika seaduse kehtestas V. Nernst 1906. aastal keemiliste reaktsioonide entroopia muutuste uurimise käigus. Seda nimetatakse Nernsti teoreem ehk termodünaamika kolmas seadus ja on seotud ainete soojusmahtuvuse käitumisega absoluutse nulltemperatuuri juures.
Nernsti teoreem väidab, et absoluutsele nullile lähenedes kipub ka süsteemi entroopia nulli, olenemata sellest, millised väärtused on kõik muud süsteemi oleku parameetrid:
.
Alates entroopiast 
ja temperatuur T kipub nulli, peab ka aine soojusmahtuvus kipuma nulli ja kiiremini kui T. see tähendab absoluutse nulltemperatuuri saavutamatus termodünaamiliste protsesside lõpliku jadaga, st piiratud arvu operatsioonidega - külmutusmasina töötsüklid (termodünaamika kolmanda seaduse teine sõnastus).
Tõelised gaasid
Van der Waalsi võrrand
Harendatud gaaside oleku muutumist piisavalt kõrgel temperatuuril ja madalal rõhul kirjeldavad ideaalse gaasi seadused. Kui aga rõhk tõuseb ja reaalse gaasi temperatuur langeb, täheldatakse olulisi kõrvalekaldeid nendest seadustest, mis on tingitud olulistest erinevustest tegelike gaaside käitumise ja ideaalse gaasi osakestele omistatava käitumise vahel.
Reaalsete gaaside olekuvõrrand peab arvestama:
· molekulide enda ruumala lõppväärtus;
· molekulide vastastikune külgetõmbejõud.
Selleks tegi J. van der Waals ettepaneku lisada olekuvõrrandisse mitte anuma ruumala, nagu Clapeyroni-Mendelejevi võrrandis ( pV = RT) ja gaasimooli ruumala, mida molekulid ei hõivata, st väärtus ( V m -b), Kus V m – molaarmaht. Molekulidevaheliste tõmbejõudude arvessevõtmiseks võttis J. van der Waals sisse olekuvõrrandis sisalduva rõhu paranduse.
Lisades Clapeyroni-Mendelejevi võrrandisse parandused, mis on seotud molekulide sisemahu (tõukejõudude) ja külgetõmbejõudude arvestamisega, saame reaalse gaasi mooli olekuvõrrand nagu:
.
See van der Waalsi võrrand, milles konstandid A Ja b omavad erinevate gaaside jaoks erinevat tähendust.
Laboratoorsed tööd
Looduslikke protsesse iseloomustab suunatus ja pöördumatus, kuid enamik selles raamatus kirjeldatud seaduspärasusi ei kajasta seda, vähemalt mitte otseselt. Munade purustamine ja munaputru valmistamine pole keeruline, kuid toore muna taasloomine valmis munapuderist on võimatu. Avatud parfüümipudeli lõhn täidab ruumi – aga pudelisse seda tagasi panna ei saa. Ja universumis toimuvate protsesside sellise pöördumatuse põhjus peitub termodünaamika teises seaduses, mis kogu oma näilise lihtsuse juures on klassikalise füüsika üks raskemaid ja sageli valesti mõistetavaid seadusi.
Esiteks on sellel seadusel vähemalt kolm võrdselt kehtivat sõnastust, mille on erinevatel aastatel välja pakkunud eri põlvkondade füüsikud. Võib tunduda, et neil pole midagi ühist, kuid nad on kõik üksteisega loogiliselt samaväärsed. Teise seaduse mis tahes sõnastusest tuletatakse ülejäänud kaks matemaatiliselt.
Alustame esimesest sõnastusest, mis kuulub saksa füüsikule Rudolf Clausiusele ( cm. Clapeyroni-Clausiuse võrrand). Siin on selle koostise lihtne ja selge näide: võtke külmkapist jääkuubik ja asetage see kraanikaussi. Mõne aja pärast jääkuubik sulab, sest soojemast kehast (õhust) tulev soojus kandub üle külmemale kehale (jääkuubik). Energia jäävuse seaduse seisukohalt pole põhjust soojusenergiat täpselt selles suunas üle kanda: isegi kui jää muutuks külmemaks ja õhk soojemaks, oleks energia jäävuse seadus ikkagi täidetud. See, et seda ei juhtu, annab tunnistust juba mainitud füüsikaliste protsesside suunast.
Me saame hõlpsasti selgitada, miks jää ja õhk sellisel viisil interakteeruvad, arvestades seda interaktsiooni molekulaarsel tasandil. Molekulaarkineetilisest teooriast teame, et temperatuur peegeldab kehamolekulide liikumiskiirust – mida kiiremini nad liiguvad, seda kõrgem on kehatemperatuur. See tähendab, et õhumolekulid liiguvad kiiremini kui veemolekulid jääkuubis. Kui õhumolekul põrkab kokku veemolekuliga jääpinnal, nagu kogemus ütleb, siis kiired molekulid keskmiselt aeglustuvad ja aeglased kiirendavad. Nii hakkavad veemolekulid järjest kiiremini liikuma või, mis sealjuures, jää temperatuur tõuseb. Seda me mõtleme, kui ütleme, et soojus kandub õhust jääle. Ja selle mudeli raames tuleneb termodünaamika teise seaduse esimene sõnastus loogiliselt molekulide käitumisest.
Kui keha liigub teatud jõu mõjul suvalise vahemaa tagant, siis tehakse tööd ja erinevad energiavormid väljendavad täpselt süsteemi võimet teatud tööd toota. Kuna soojus, mis esindab molekulide kineetilist energiat, on energia vorm, saab seda muundada ka tööks. Kuid jällegi on meil tegemist suunatud protsessiga. Saate muuta töö soojuseks 100% efektiivsusega – teete seda iga kord, kui vajutate autos piduripedaali: kogu teie auto kineetiline energia pluss energia, mille kulutasite pedaalile läbi jala ja hüdraulilise piduri. süsteem muudetakse täielikult soojuseks, mis vabaneb piduriklotside hõõrdumise käigus. Termodünaamika teise seaduse teine sõnastus väidab, et vastupidine protsess on võimatu. Ükskõik kui palju te ka ei üritaks kogu soojusenergiat tööks muuta, on soojuskaod keskkonda vältimatud.
Ei ole raske illustreerida teist formulatsiooni tegevuses. Kujutage ette oma auto sisepõlemismootori silindrit. Sellesse süstitakse kõrge oktaanarvuga kütusesegu, mis surutakse kolvi abil kokku kõrge rõhuni, misjärel see silindripea ja silindri seintele tihedalt kinnitatud vabalt liikuva kolvi vahelises väikeses vahes süttib. Segu plahvatusohtlikul põlemisel eraldub märkimisväärne kogus soojust kuumade ja paisuvate põlemisproduktidena, mille rõhk surub kolvi alla. Ideaalses maailmas suudaksime saavutada vabaneva soojusenergia kasutamise 100% efektiivsuse, muutes selle täielikult kolvi mehaaniliseks tööks.
Päris maailmas ei pane keegi kunagi nii ideaalset mootorit kokku kahel põhjusel. Esiteks kuumenevad töösegu põlemise tagajärjel paratamatult silindri seinad, osa soojusest läheb tühikäigul kaotsi ja juhitakse läbi jahutussüsteemi keskkonda. Teiseks läheb osa tööst paratamatult hõõrdejõu ületamiseks, mille tulemusena jällegi soojenevad silindri seinad - järjekordne soojuskadu (isegi parima mootoriõli puhul). Kolmandaks peab silinder jõudma tagasi kokkusurumise alguspunkti ja see on samuti raisatud töö, et ületada hõõrdumine soojuse vabanemisega. Selle tulemusena on meil see, mis meil on, nimelt: kõige arenenumad soojusmootorid töötavad efektiivsusega mitte üle 50%.
See termodünaamika teise seaduse tõlgendus on põimitud Carnot’ põhimõttesse, mis on oma nime saanud prantsuse sõjaväeinseneri Sadi Carnot’ järgi. See sõnastati varem kui teised ja avaldas tohutut mõju inseneritehnoloogia arengule paljude tulevaste põlvkondade jaoks, kuigi see on rakendusliku iseloomuga. See omandab tohutu tähtsuse tänapäeva energeetika, mis on iga rahvamajanduse kõige olulisem sektor, seisukohalt. Tänapäeval, seistes silmitsi kütuseressursside nappusega, on inimkond siiski sunnitud leppima tõsiasjaga, et näiteks kivisöel või kütteõlil töötavate soojuselektrijaamade kasutegur ei ületa 30–35% - see tähendab, kaks kolmandikku kütusest põletatakse asjata või pigem kulutatakse atmosfääri soojendamiseks – ja seda globaalse soojenemise ohuga silmitsi seistes. Seetõttu on tänapäevased soojuselektrijaamad kergesti äratuntavad nende kolossaalsete jahutustornide järgi - just neis jahutatakse elektrigeneraatorite turbiine jahutavat vett ning liigne soojusenergia eraldub keskkonda. Ja nii madal ressursikasutuse tõhusus pole mitte moodsate projekteerimisinseneride süü, vaid õnnetus: nad pigistavad juba praegu maksimumi lähedale, mida Carnot’ tsükkel võimaldab. Need, kes väidavad, et on leidnud lahenduse soojusenergia kadude järsuks vähendamiseks (näiteks konstrueerisid igiliikuri), väidavad sellega, et on termodünaamika teisest seadusest üle kavaldanud. Sama hästi võivad nad väita, et teavad, kuidas kraanikausis olev jääkuubik toatemperatuuril ära ei sulaks, vaid vastupidi, veelgi rohkem jahtuks, soojendades seeläbi õhku.
Termodünaamika teise seaduse kolmas sõnastus, mida tavaliselt omistatakse Austria füüsikule Ludwig Boltzmannile. cm. Boltzmanni konstant on ehk kõige tuntum. Entroopia on süsteemi häire näitaja. Mida suurem on entroopia, seda kaootilisem on süsteemi moodustavate materjaliosakeste liikumine. Boltzmannil õnnestus välja töötada valem süsteemi järjestusastme otseseks matemaatiliseks kirjeldamiseks. Vaatame, kuidas see toimib, kasutades näitena vett. Vedelas olekus on vesi üsna korratu struktuur, kuna molekulid liiguvad üksteise suhtes vabalt ja nende ruumiline orientatsioon võib olla meelevaldne. Jää on teine asi – selles on veemolekulid järjestatud, kuuludes kristallvõresse. Boltzmanni teise termodünaamika seaduse sõnastus ütleb suhteliselt öeldes, et jää, olles sulanud ja muutunud veeks (protsess, millega kaasneb järjestuse vähenemine ja entroopia suurenemine), ei sünni ise kunagi veest uuesti. Taas näeme näidet pöördumatust looduslikust füüsikalisest nähtusest.
Siinkohal on oluline mõista, et me ei räägi sellest, et selles sõnastuses deklareerib termodünaamika teine seadus, et entroopia ei saa väheneda kuskil ja mitte kunagi. Lõpuks saab sulanud jää sügavkülma tagasi panna ja uuesti külmutada. Asi on selles, et entroopia ei saa väheneda suletud süsteemid- see tähendab süsteemides, mis ei saa välist energiavarustust. Töötav külmik ei ole isoleeritud suletud ahelaga süsteem, kuna see on ühendatud elektrivõrguga ja saab energiat väljast – lõpuks seda tootvatest elektrijaamadest. Sel juhul on suletud süsteem külmkapp, pluss juhtmestik, lisaks kohalik trafo alajaam, pluss ühtne toitevõrk, pluss elektrijaamad. Ja kuna elektrijaama jahutustornide juhuslikust aurustumisest tulenev entroopia suurenemine on mitu korda suurem kui entroopia vähenemine teie külmkapis jää kristalliseerumise tõttu, ei ole termodünaamika teist seadust mingil juhul rikutud.
Ja see, ma usun, viib teise põhimõtte teise sõnastuseni: Külmik ei tööta, kui see pole vooluvõrku ühendatud.
Termodünaamika teine seadus
Termodünaamika teise seaduse esilekerkimine on seotud vajadusega vastata küsimusele, millised protsessid looduses on võimalikud ja millised mitte. Termodünaamika teine seadus määrab termodünaamiliste protsesside suuna.
Entroopia ja Clausiuse ebavõrdsuse mõiste kasutamine termodünaamika teine seadus saab sõnastada nii entroopia suurenemise seadus suletud süsteem pöördumatute protsessidega: mis tahes pöördumatu protsess suletud süsteemis toimub nii, et süsteemi entroopia suureneb.
Saame anda termodünaamika teise seaduse kokkuvõtlikuma sõnastuse: suletud süsteemis toimuvates protsessides entroopia ei vähene. Siin on oluline, et räägime suletud süsteemidest, kuna avatud süsteemides võib entroopia käituda mis tahes viisil (väheneda, suureneda, jääda konstantseks). Lisaks märgime veel kord, et entroopia jääb suletud süsteemis konstantseks ainult pöörduvate protsesside ajal. Suletud süsteemis toimuvate pöördumatute protsesside käigus entroopia alati suureneb.
Boltzmanni valem (57.8) võimaldab seletada entroopia suurenemist suletud süsteemis termodünaamika teise seadusega postuleeritud pöördumatute protsesside käigus: entroopia suurenemine tähendab süsteemi üleminekut alates vähem tõenäoline suurema tõenäosusega tingimus. Seega võimaldab Boltzmanni valem anda termodünaamika teise seaduse statistilise tõlgenduse. See, olles statistiline seadus, kirjeldab suure hulga osakeste kaootilise liikumise mustreid, mis moodustavad suletud süsteemi.
Toome välja veel kaks termodünaamika teise seaduse sõnastust:
1)Kelvini järgi:ringprotsess on võimatu, mille ainsaks tulemuseks on küttekehast saadava soojuse muundamine sellega võrdväärseks tööks;
2)Clausiuse järgi:Ringprotsess on võimatu, mille ainsaks tulemuseks on soojuse ülekandmine vähem kuumutatud kehalt kuumemale.
19. sajandi keskel. tekkis probleem nn universumi kuumasurm. Pidades Universumit suletud süsteemiks ja rakendades sellele termodünaamika teist pumpa, taandas Clausius selle sisu väitele, et Universumi entroopia peab saavutama maksimumi. See tähendab, et aja jooksul peavad kõik liikumise vormid muutuma soojusliikumiseks. Soojuse üleminek kuumadelt kehadelt külmadele viib selleni, et kõigi universumi kehade temperatuur muutub võrdseks, st saabub täielik termiline tasakaal ja kõik protsessid universumis peatuvad - universumi termiline surm tekib. Kuumasurma kohta tehtud järelduse ekslikkus seisneb selles, et pole mõtet rakendada termodünaamika teist seadust avatud süsteemide puhul, näiteks sellise piiritu ja lõputult areneva süsteemi puhul nagu Universum.
Entroopia, selle statistiline tõlgendus ja seos termodünaamilise tõenäosusega
Entroopia mõiste võttis 1865. aastal kasutusele R. Clausius. Selle mõiste füüsikalise sisu selgitamiseks kaaluge soojussuhet K, mis saadakse kehas isotermilise protsessi käigus, temperatuurini T soojust vabastav keha, nn antud soojushulk.
Protsessi lõpmatult väikeses osas kehale antav soojushulk on võrdne dQ/T. Range teoreetiline analüüs näitab, et vähenenud soojushulk kehas mis tahes pöörduv ringprotsess, võrdub nulliga:
riigi funktsioon, mille diferentsiaal on dQ/T helistas entroopia ja on määratud S.
Valemist (57.1) järeldub, et for pöörduvad protsessid entroopia muutus
(57.3)
Termodünaamikas on tõestatud, et süsteemi entroopia läbib pöördumatu tsükkel suureneb:
Avaldised (57.3) ja (57.4) on seotud ainult suletud süsteemid, kui süsteem vahetab soojust väliskeskkonnaga, siis võib selle entroopia käituda mis tahes viisil. Seoseid (57.3) ja (57.4) saab esitada kui Clausiuse ebavõrdsused
(57.5)
st. suletud süsteemi entroopia Võib olla või suurendada(pöördumatute protsesside korral), või jääda konstantseks(pööratavate protsesside korral).
Kui süsteem teeb olekust tasakaalusiirde 1 olekus 2 , siis vastavalt (57.2) entroopia muutus
(57.6)
kus integrand ja lõimimise piirid määratakse uuritavat protsessi iseloomustavate suuruste kaudu. Valem (57.6) määrab entroopia ainult kuni lisandkonstant. Füüsilist tähendust ei oma entroopia ise, vaid entroopiate erinevus.
Avaldise (57.6) põhjal leiame ideaalse gaasi protsesside entroopia muutuse. Nii et kuidagi
(57.7)
st entroopia muutus D S 1 ® 2 ideaalset gaasi olekust üleminekul 1 olekus 2 ei sõltu üleminekuprotsessi tüübist 1® 2.
Nii et adiabaatilise protsessi jaoks dQ = 0, siis D S= 0 ja seega S= const, st. e. adiabaatiline pöörduv protsess lekib konstantse entroopia juures. Seetõttu nimetatakse seda sageli isentroopiline protsess. Valemist (57.7) järeldub, et isotermilise protsessi käigus ( T 1 = T 2)
isohoorilises protsessis ( V 1 = V 2)
Entroopial on omadus liitlikkus:süsteemi entroopia võrdub süsteemi kuuluvate kehade entroopiate summaga. Siseenergial, massil ja mahul on ka liite omadus (temperatuuril ja rõhul seda omadust ei ole).
Entroopia sügavam tähendus avaldub statistilises füüsikas: entroopia seostatakse süsteemi oleku termodünaamilise tõenäosusega. Termodünaamiline tõenäosus W süsteemi olekud on mitmel viisil mille abil saab realiseerida makroskoopilise süsteemi teatud oleku või mikroolekute arvu, mis rakendavad antud makroolekut (definitsiooni järgi, W³ 1, st termodünaamiline tõenäosus ei ole tõenäosus matemaatilises mõttes (viimane £ 1!)).
Boltzmanni (1872) järgi entroopia süsteemid ja termodünaamiline tõenäosus on omavahel seotud järgmiselt:
(57.8)
Kus k- Boltzmanni konstant. Seega määrab entroopia mikroolekute arvu logaritmiga, mille abil saab antud makrooleku realiseerida. Seetõttu võib kaaluda entroopiat tõenäosuse mõõdikuna termodünaamilise süsteemi olek. Boltzmanni valem (57.8) võimaldab anda entroopia järgmise statistiline tõlgendus: entroopia on süsteemi häire mõõt. Tegelikult, mida suurem on antud makroolekut rakendavate mikroolekute arv, seda suurem on entroopia. Tasakaaluseisundis - süsteemi kõige tõenäolisemas olekus - on mikroolekute arv maksimaalne ja ka entroopia maksimaalne.
Kuna reaalsed protsessid on pöördumatud, võib väita, et kõik protsessid suletud süsteemis viivad selle entroopia suurenemiseni. entroopia suurendamise põhimõte. Entroopia statistilises tõlgenduses tähendab see, et suletud süsteemis toimuvad protsessid kulgevad mikroolekute arvu suurenemise suunas ehk teisisõnu vähemtõenäolistest olekutest tõenäolisematesse, kuni oleku tõenäosus muutub maksimaalseks.
Termodünaamika teise seaduse sõnastusi on mitu, mille autoriteks on saksa füüsik, mehaanik ja matemaatik Rudolf Clausius ning briti füüsik ja mehaanik William Thomson Lord Kelvin. Väliselt need erinevad, kuid olemuselt on sama.
Clausiuse postulaat
Rudolf Julius Emmanuel Clausius
Termodünaamika teine seadus, nagu ka esimene, tuletati samuti eksperimentaalselt. Termodünaamika teise seaduse esimese sõnastuse autor on saksa füüsik, mehaanik ja matemaatik Rudolf Clausius.
« Soojus ei saa iseenesest üle minna külmalt kehalt kuumale kehale. " See avaldus, mida Clasius nimetas " termiline aksioom”, sõnastati 1850. aastal teoses “Soojuse liikumapanevast jõust ja seadustest, mida siit soojusteooria jaoks saada on”.«Loomulikult kandub soojust ainult kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale. Vastupidises suunas on soojuse spontaanne ülekanne võimatu. See on tähendus Clausiuse postulaat , mis määratleb termodünaamika teise seaduse olemuse.
Pööratavad ja pöördumatud protsessid
Termodünaamika esimene seadus näitab kvantitatiivset seost süsteemi poolt vastuvõetud soojuse, selle siseenergia muutuse ja süsteemi poolt väliskehadel tehtava töö vahel. Kuid soojusülekande suunda ta ei arvesta. Ja võib eeldada, et soojust saab üle kanda nii kuumalt kehalt külmale kui ka vastupidi. Samas tegelikkuses see nii ei ole. Kui kaks keha puutuvad kokku, kandub soojus alati rohkem kuumenenud kehalt vähem kuumenevale. Pealegi toimub see protsess iseenesest. Sellisel juhul ei toimu kontaktkehasid ümbritsevates väliskehades muutusi. Sellist protsessi, mis toimub väljastpoolt tööd tegemata (ilma välisjõudude sekkumiseta), nimetatakse spontaanne . Ta võib olla pööratav Ja pöördumatu.
Spontaanselt jahtudes kannab kuum keha soojust ümbritsevatele külmematele kehadele. Ja külm keha ei muutu kunagi loomulikult kuumaks. Sel juhul ei saa termodünaamiline süsteem naasta algsesse olekusse. Seda protsessi nimetatakse pöördumatu . Pöördumatud protsessid toimuvad ainult ühes suunas. Peaaegu kõik looduses toimuvad spontaansed protsessid on pöördumatud, nagu ka aeg on pöördumatu.
Pööratav on termodünaamiline protsess, mille käigus süsteem läheb ühest olekust teise, kuid võib naasta algolekusse, läbides vahepealseid tasakaaluolekuid vastupidises järjekorras. Sel juhul taastatakse kõik süsteemi parameetrid algsesse olekusse. Kõige rohkem tööd toodavad pöörduvad protsessid. Tegelikkuses ei saa neid aga realiseerida, kuna need kulgevad lõpmatult aeglaselt. Praktikas koosneb selline protsess pidevatest järjestikustest tasakaaluolekutest ja seda nimetatakse kvaasistaatiline. Kõik kvaasistaatilised protsessid on pöörduvad.
Thomsoni (Kelvini) postulaat
William Thomson, Lord Kelvin
Termodünaamika kõige olulisem ülesanne on saada soojust kasutades võimalikult palju tööd. Töö muudetakse kergesti soojuseks täielikult ilma igasuguse kompensatsioonita, näiteks hõõrdumise tõttu. Kuid soojuse tööks muutmise pöördprotsess ei toimu täielikult ja see on võimatu ilma väljastpoolt täiendavat energiat hankimata.
Peab ütlema, et soojuse ülekandmine külmemalt kehalt soojemale on võimalik. See protsess toimub näiteks meie koduses külmikus. Kuid see ei saa olla spontaanne. Selleks, et see voolaks, on vaja kompressorit, mis sellist õhku destilleerib. See tähendab, et pöördprotsessi (jahutuse) jaoks on vaja välist energiavarustust. " Madalama temperatuuriga kehalt soojust ilma kompensatsioonita üle kanda on võimatu ».
1851. aastal esitas Briti füüsik ja mehaanik William Thomson Lord Kelvin teise seaduse teise sõnastuse. Thomsoni (Kelvini) postulaat ütleb: "Ringprotsess on võimatu, mille ainsaks tulemuseks oleks soojusmahuti jahutamise teel töö tegemine" . See tähendab, et on võimatu luua tsükliliselt töötavat mootorit, mille toimimine annaks positiivse töö tänu selle koostoimele ainult ühe soojusallikaga. Kui see oleks võimalik, võiks ju soojusmasin töötada, kasutades näiteks maailmamere energiat ja muutes selle täielikult mehaaniliseks tööks. Selle tulemusena ookean jahtuks energia vähenemise tõttu. Kuid niipea, kui selle temperatuur on ümbritseva õhu temperatuurist madalam, peaks toimuma soojuse spontaanne ülekandmine külmemast kehast kuumemale. Kuid selline protsess on võimatu. Järelikult on soojusmasina töötamiseks vaja vähemalt kahte erineva temperatuuriga soojusallikat.
Teist tüüpi igiliikur
Soojusmootorites muudetakse soojus kasulikuks tööks ainult siis, kui liigutakse köetud kehalt külmale. Sellise mootori toimimiseks luuakse selles temperatuuride vahe soojusandja (küttekeha) ja jahutusradiaatori (külmik) vahel. Kütteseade kannab soojust töövedelikule (näiteks gaasile). Töövedelik paisub ja töötab. Kuid mitte kogu soojust ei muudeta tööks. Osa sellest kantakse külmkappi ja osa läheb näiteks lihtsalt atmosfääri. Seejärel tuleb töövedeliku parameetrite algväärtustele tagastamiseks ja tsükli uuesti alustamiseks töövedelikku soojendada, see tähendab, et soojus tuleb külmkapist eemaldada ja kütteseadmesse üle kanda. See tähendab, et soojust tuleb külmalt kehalt soojemale üle kanda. Ja kui seda protsessi saaks läbi viia ilma väljastpoolt energiat tarnimata, saaksime teist tüüpi igiliikuri. Kuna aga termodünaamika teise seaduse kohaselt on seda võimatu teha, siis on võimatu luua ka teist tüüpi igiliikurit, mis muudaks soojuse täielikult tööks.
Termodünaamika teise seaduse samaväärsed formulatsioonid:
- Võimatu on protsess, mille ainsaks tulemuseks on kogu süsteemi vastuvõetud soojushulga muundamine tööks.
- Teist tüüpi igiliikurit on võimatu luua.
Carnot’ põhimõte
Nicolas Leonard Sadi Carnot
Aga kui igiliikurit pole võimalik luua, siis on võimalik soojusmasina töötsükkel korraldada nii, et kasutegur (kasutegur) oleks maksimaalne.
Aastal 1824, ammu enne seda, kui Clausius ja Thomson formuleerisid oma postulaadid, mis määratlesid termodünaamika teise seaduse, avaldas prantsuse füüsik ja matemaatik Nicolas Leonard Sadi Carnot oma töö. "Mõtisklused tule edasiviivast jõust ja masinatest, mis on võimelised seda jõudu arendama." Termodünaamikas peetakse seda fundamentaalseks. Teadlane analüüsis tol ajal eksisteerinud aurumasinaid, mille kasutegur oli vaid 2%, ja kirjeldas ideaalse soojusmasina tööd.
Veemootoris töötab vesi kõrgelt alla kukkudes. Analoogia põhjal pakkus Carnot välja, et kuumus võib tööd teha ka kuumalt kehalt külmemale liikudes. See tähendab, et selleks Soojusmasin töötas, sellel pidi olema 2 erineva temperatuuriga soojusallikat. Seda väidet nimetatakse Carnot’ põhimõte . Ja kutsuti teadlase loodud soojusmasina töötsükkel Carnot' tsükkel .
Carnot mõtles välja ideaalse soojusmootori, mis suudaks töötada parim võimalik töö sellesse tarnitava soojuse tõttu.
Carnot' kirjeldatud soojusmasin koosneb küttekehast, millel on temperatuur T N , töövedelik ja külmik temperatuuriga T X .
Carnot' tsükkel on ringikujuline pöörduv protsess ja sisaldab 4 etappi – 2 isotermilist ja 2 adiabaatilist.
Esimene aste A→B on isotermiline. See toimub küttekeha ja töövedeliku samal temperatuuril T N . Kokkupuute ajal soojushulk K H kantakse küttekehast töövedelikku (gaas silindris). Gaas paisub isotermiliselt ja teeb mehaanilist tööd.
Selleks, et protsess oleks tsükliline (pidev), tuleb gaas taastada algsete parameetrite juurde.
Tsükli B→C teises etapis eraldatakse töövedelik ja kütteseade. Gaas jätkab adiabaatilise paisumist ilma keskkonnaga soojust vahetamata. Samal ajal langeb selle temperatuur külmiku temperatuurini T X , ja ta jätkab tööd.
Kolmandas etapis B → G töövedelik, millel on temperatuur T X , on kokkupuutes külmikuga. Välise jõu mõjul surutakse see isotermiliselt kokku ja eraldab koguses soojust Q X külmkapp. Selle kallal tööd tehakse.
Neljandas etapis G→A eraldatakse töövedelik külmikust. Välise jõu mõjul surutakse see adiabaatiliselt kokku. Selle kallal tööd tehakse. Selle temperatuur muutub võrdseks küttekeha temperatuuriga T N .
Töövedelik naaseb algsesse olekusse. Ringprotsess lõpeb. Algab uus tsükkel.
Carnot' tsükli järgi töötava kehamasina efektiivsus on võrdne:
Sellise masina efektiivsus ei sõltu selle disainist. See sõltub ainult küttekeha ja külmiku temperatuuride erinevusest. Ja kui külmiku temperatuur on absoluutne null, on efektiivsus 100%. Seni pole keegi suutnud midagi paremat välja mõelda.
Kahjuks on praktikas sellist masinat võimatu ehitada. Tõelised pöörduvad termodünaamilised protsessid võivad ideaalsetele läheneda vaid erineva täpsusega. Lisaks on tõelises soojusmasinas alati soojuskaod. Seetõttu on selle kasutegur madalam kui ideaalsel soojusmootoril, mis töötab Carnot tsükli järgi.
Carnot tsükli põhjal on ehitatud erinevaid tehnilisi seadmeid.
Kui Carnot' tsükkel sooritatakse tagurpidi, saate külmutusmasina. Töövedelik võtab ju esmalt külmkapist soojust, seejärel muundab tsükli loomisele kulutatud töö soojuseks ja annab siis selle soojuse küttekehale. Külmikud töötavad sellel põhimõttel.
Tagurpidine Carnot tsükkel on ka soojuspumpade aluseks. Sellised pumbad edastavad energiat madala temperatuuriga allikatest kõrgema temperatuuriga tarbijale. Kuid erinevalt külmikust, milles eraldatud soojus keskkonda eraldub, kandub see soojuspumbas üle tarbijale.