Termodinamika - ilmu fenomena termal, yang tidak memperhitungkan struktur molekul benda. Kontribusi signifikan untuk pengembangan teori fenomena termal dibuat oleh R. Clausius (1822-1888), J. Maxwell (1831-1879), L. Boltzmann (1844-1906), W. Thompson (1824-1907) dan lainnya Semua proses termal terhubung dengan transformasi energi, yang deskripsinya merupakan salah satu masalah utama termodinamika. Untuk menggambarkan keadaan benda dalam termodinamika, fungsi berikut digunakan: suhu, tekanan, volume, entropi, serta potensi termodinamika. Faktor waktu tidak menarik bagi termodinamika, karena dari sudut pandangnya, molekul gas yang paling langka suatu hari nanti akan bertabrakan.

1. Hukum kekekalan dan transformasi energi(hukum pertama termodinamika)

Pertama-tama, menegaskan keberadaan jenis energi kualitatif (potensial, kinetik, mekanik, termal, elektromagnetik, dll.) dan kemampuan bawaannya untuk berubah menjadi satu sama lain dalam kondisi tertentu; Kedua, menunjukkan bahwa dalam setiap proses yang terjadi dalam sistem tertutup (yaitu, sistem yang tidak bertukar materi atau energi dengan dunia sekitarnya), nilai numerik energi tetap konstan dalam waktu, yaitu. ketidakmungkinan hilangnya atau terjadinya.

Rumusan kuantitatif hukum pertama termodinamika: jumlah panas (Q) yang diberikan ke tubuh digunakan untuk meningkatkan energi internal DU dan untuk melakukan pekerjaan A pada tubuh (Q = DU + A).

Potensi dan energi kinetik diubah menjadi satu sama lain selama pergerakan benda di medan gravitasi, dalam gerakan osilasi benda, misalnya, ketika pendulum berosilasi. Dalam mesin pembakaran internal, energi kimia diubah menjadi energi panas dan kinetik.

Hukum kekekalan energi mekanik memanifestasikan dirinya dalam pergerakan benda dalam medan gravitasi, jatuhnya benda dalam medan gravitasi, dalam tumbukan elastis benda, dalam gerakan osilasi bebas benda (gerakan pendulum), pemusnahan .

Jika hukum kekekalan energi terpenuhi dalam semua proses kimia, dalam semua fenomena alam, maka hukum kekekalan kadang-kadang dipenuhi dengan tepat, dan kadang-kadang kira-kira. Misalnya, dalam kimia, massa semua zat yang masuk ke dalam reaksi kimia sama dengan massa semua produk reaksi. Namun, dalam fisika, sebuah elektron dan positron, yang masing-masing memiliki massa, dapat musnah menjadi foton yang tidak memiliki massa diam.

Dalam reaksi termonuklir hukum kekekalan muatan listrik, hukum kekekalan energi, hukum kekekalan muatan lepton, hukum kekekalan muatan hadron terpenuhi. Hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum mengatur transformasi materi menjadi medan dan sebaliknya.

Hukum pertama termodinamika menyangkal kemungkinan mesin gerak abadi (perpetuum mobile) dari jenis pertama. Sebuah mesin gerak abadi dari jenis pertama melibatkan kerja tanpa mengekstraksi energi dari lingkungan. Mustahil untuk membangun mesin yang beroperasi secara berkala yang akan melakukan lebih banyak pekerjaan daripada energi yang disuplai dari luar.

2. Hukum disipasi energi.

Setiap sistem berusaha pergi ke keadaan kesetimbangan termodinamika, di mana benda-benda memiliki suhu dan tekanan yang sama. Semua proses termodinamika yang mendekati kesetimbangan termal adalah ireversibel. Ini membawa kita ke hukum kedua termodinamika: panas tidak dapat secara spontan berpindah dari benda dingin ke benda yang lebih panas; atau energi panas didistribusikan secara merata di antara semua benda, dan semua proses termal dalam sistem apa pun berhenti total. Ego menyebabkan kematian panas sistem. Pernyataan ini berlaku untuk sistem tertutup. Hukum ini mencirikan pertumbuhan entropi dengan waktu.

Karena adanya gaya gesekan sebagian energi selalu berubah menjadi panas (atau energi internal) dan sangat sulit untuk mengubah energi ini kembali menjadi bentuk yang lebih nyaman untuk penggunaan praktis. Oleh karena itu, mesin gerak abadi jenis kedua, yang beroperasi dengan mengorbankan energi benda dalam kesetimbangan termal, tidak mungkin, karena proses makroskopik ireversibel sangat sulit untuk dibalik. Sebuah mesin gerak abadi jenis kedua adalah semacam "kulkas yang tidak mengkonsumsi, tetapi menghasilkan listrik." Saat ini, dalam praktiknya, hanya kemungkinan unit pelaksana yang mengumpulkan energi dari lingkungan telah terbukti. Jadi, dalam astronotika, pompa panas banyak digunakan, menggunakan energi panas dari ruang sekitarnya.

Ada juga mesin gerak abadi jenis ketiga- mekanisme yang menunjukkan gerakan terus-menerus tanpa adanya gesekan. Mekanisme yang mendekati ideal telah dibuat, misalnya, ini adalah agregat superkonduktor, cairan superfluida, dll. Jadi, hanya mesin gerak abadi jenis pertama yang belum diciptakan dan tidak digunakan dalam teknologi. Dapat diasumsikan bahwa ponsel perpetuum jenis pertama yang dinyatakan "berhasil" sebenarnya hanyalah mesin tersembunyi dari jenis kedua, yang sumbernya memperoleh, memompa energi yang tidak diketahui. Meskipun mesin jenis ke-2 dan ke-3 telah berhasil diuji, istilah "perpetuum mobile" itu sendiri masih digunakan dalam praktik sebagai "mustahil" atau "gila", karena, pertama, tidak ada yang diambil entah dari mana, dan kedua, segala sesuatu yang telah sebuah awal - memiliki akhir, konsep "abadi" dalam konteks ini dipahami dengan sangat kondisional.

Perusahaan teknologi global memerangi entropi dengan meningkatkan efisiensi. Jika 70% dianggap efisiensi yang sangat baik untuk sebuah mesin, ekonom Italia Vilfredo Paretto pada tahun 1897 merumuskan aturan efisiensi manusia, yang menyatakan bahwa 20% usaha menghasilkan 80% hasil.

Hukum kedua termodinamika menunjukkan keberadaan dua bentuk energi yang berbeda - panas (terkait dengan gerak tidak teratur) dan kerja (terkait dengan gerak teratur). Bentuk energi yang tidak teratur tidak dapat sepenuhnya diubah menjadi bentuk energi yang teratur. Ukuran ketidakteraturan dalam termodinamika adalah entropi. Entropi(ukuran disipasi energi) adalah fungsi dari keadaan sistem, yang mencirikan arah aliran proses spontan dalam sistem tertutup. Dalam sistem tertutup, entropi cenderung maksimum.

Arah proses termal ditentukan oleh hukum kenaikan entropi: entropi sistem tertutup hanya dapat meningkat; nilai maksimum entropi sistem tertutup dicapai dalam kesetimbangan: DS 0 (di mana S adalah entropi). Pernyataan di atas dianggap sebagai formulasi kuantitatif dari hukum kedua termodinamika.

Hukum kedua termodinamika menetapkan adanya asimetri fundamental (kesearahan semua proses spontan).

Jadi di pertengahan abad XIX. hukum kekekalan dan transformasi energi telah memperoleh hak hukum alam universal, menyatukan alam hidup dan mati. Hukum pertama termodinamika dirumuskan secara singkat sebagai berikut: "Energi kekal", atau: "Panas yang diterima oleh sistem digunakan untuk meningkatkan energi internalnya dan untuk menghasilkan kerja eksternal." Fakta bahwa itu adalah energi yang dilestarikan, dan bukan panas, telah menjadi salah satu pencapaian ilmiah utama. Konsep energi memungkinkan untuk mempertimbangkan semua fenomena dan proses alam dari satu sudut pandang, untuk menyatukan semua fenomena.

Untuk pertama kalinya dalam sains konsep abstrak menjadi pusat perhatian, ia datang alih-alih gaya Newtonian, yang sesuai dengan sesuatu yang nyata, konkret, meskipun dibungkus oleh Newton dalam pakaian matematis. Konsep energi telah dengan kuat memasuki kehidupan kita. Tidak ada definisi tunggal untuk itu, tetapi paling sering energi dipahami sebagai kemampuan tubuh untuk melakukan pekerjaan. Di pertengahan abad terakhir, Lord Kelvin menyadari bahwa kekuatan dapat muncul dan menghilang, tetapi energi tidak dihancurkan. Konsep ini juga sesuai dengan pandangan agama Calvin, ia percaya bahwa Pencipta pada saat penciptaan dunia memberinya pasokan energi, dan karunia ilahi ini akan ada selamanya, sementara kekuatan fana tunduk pada banyak perubahan. , dan dengan bantuan mereka menjalin di dunia fenomena sementara.

Ilmu pengetahuan modern tidak menolak pandangan Kelvin, namun tidak menyangkal keberadaan atom sebagai pembawa energi. Hukum pertama mensyaratkan kekekalan energi dalam sistem yang terisolasi, tetapi tidak menunjukkan arah di mana proses dapat terjadi di alam. Arah ini ditunjukkan oleh hukum kedua, postulat kedua termodinamika. Bersama dengan yang pertama, mereka memungkinkan untuk menetapkan banyak hubungan kuantitatif yang tepat antara berbagai parameter makroskopik benda dalam keadaan kesetimbangan termodinamika atau di dekatnya. Selain itu, postulat kedua memperkenalkan kepastian skala suhu, yang tidak terkait dengan zat kerja termometer dan perangkatnya.

Karena entropi, tragedi sejarah besar bukanlah karena beberapa orang jahat, egois, dan bodoh mendorong umat manusia ke arah yang tidak diinginkan, tetapi bahwa ia bergerak ke arah ini bertentangan dengan keinginan dan keinginan orang-orang yang baik, tidak egois, dan cerdas.

3. Hukum ketiga termodinamika

Ini menyangkut sifat-sifat zat pada suhu rendah dan mengklaim ketidakmungkinan mendinginkan zat hingga -273 ° C (suhu nol mutlak).

Suhu benar-benar rendah, diprediksi oleh M. Lomonosov, peneliti pertama suhu rendah. Untuk pertama kalinya, seorang ilmuwan utara berhasil membekukan merkuri dan secara artifisial memperoleh suhu yang sangat rendah (-65 ° C).

hukum di Formulasi Planck menyatakan bahwa entropi kristal ideal pada nol mutlak adalah nol. Faktanya, tidak mungkin untuk secara langsung mengukur nilai mutlak entropi. Saat ini, dengan menggunakan pendinginan laser atom, pendinginan tercapai - 10 -7 10 -9 K.

Termodinamika, berdasarkan tiga prinsip dan tidak memerlukan pengetahuan terperinci tentang struktur materi, memberikan gambaran tentang hukum dasar keberadaan sejumlah besar sistem alam: sifat-sifat gas, cairan dan padatan, reaksi kimia, magnet dan listrik fenomena. Mereka berlaku untuk proses kosmik yang megah dan bahkan fenomena kehidupan sosial. Kesimpulannya tak terbantahkan dan tak tergoyahkan.

Krisis energi yang akan datang memaksa sudah sekarang untuk mencari cara baru untuk memperoleh dan menyalurkan energi. Isu mendasar masa depan adalah transisi dari energi konsumsi ke energi memberi. Konsumsi energi mematuhi hukum termodinamika: tidak ada yang diambil entah dari mana, Anda harus membayar semuanya. Oleh karena itu, hubungan harus didasarkan pada perhitungan. Jadi kita sampai pada titik "pembekuan" hubungan manusia. Energi masa depan harus didasarkan pada perawatan dan cinta. Karakteristik paradoksnya adalah semakin banyak kita memberi, semakin banyak kita menerima.

Hukum pertama termodinamika- perubahan energi internal sistem selama transisi dari satu keadaan ke keadaan lain sama dengan jumlah jumlah panas yang disuplai ke sistem dari luar dan kerja gaya eksternal yang bekerja padanya: ∆ kamu= Q+ A.

Ekspresi analitik:

Melalui energi dalam dan usaha: dq= dua+ pdV

Melalui entalpi: dq=dh-Vdp

Hukum kedua termodinamika yang diterapkan pada siklus. Entropi.

- Kalor berpindah dengan sendirinya hanya dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah dan tidak dapat berpindah secara spontan ke keadaan sebaliknya.

- Tidak semua panas yang diterima dari perpindahan panas dapat bekerja, tetapi hanya sebagian saja. Sebagian panas harus masuk ke unit pendingin.

Entropi adalah parameter keadaan fluida kerja yang menetapkan hubungan antara jumlah panas dan suhu. S= MS diukur dalam J/K.

Secara analitik, entropi didefinisikan sebagai berikut: dS= sigmaq/ T.

Proses termodinamika melingkar (siklus langsung dan terbalik). Siklus Carnot. Efisiensi termal dari siklus.

siklus langsung

siklus terbalik

Ɛ= q2/ akuc=q2/(q1- q2), - dingin. koefisien

Pekerjaan dilakukan dari luar.

Spontan yang tidak mungkin. Pasokan panas dari dingin ke panas.

Siklus Carnot adalah siklus termodinamika yang ideal. Terdiri dari 2 proses adiabatik dan 2 proses isotermal.

Kerja yang dilakukan oleh sistem itu sendiri.

Kapasitas panas. Definisi CpdanCVdan hubungan di antara mereka.

Kapasitas panas adalah jumlah panas yang harus diberikan ke tubuh untuk mengubahnya sebesar 1 derajat. kuantitas fisik, yang mendefinisikan rasio dari infinitesimal jumlah panasδ Q diterima oleh tubuh dengan peningkatan yang sesuai darinya suhu δ T.

- Pada volume konstan, sama dengan rasio jumlah panas yang disuplai ke tubuh dalam proses pada volume konstan, dengan perubahan suhu tubuh.

- Pada tekanan konstan, sama dengan rasio jumlah panas yang diberikan ke tubuh dalam proses pada tekanan konstan dengan perubahan suhu tubuh dT.

Komunikasi - Konsep kapasitas panas didefinisikan baik untuk zat dalam berbagai keadaan agregasi (padat, cair, gas), dan untuk ansambel partikel dan kuasipartikel (dalam fisika logam, misalnya, mereka berbicara tentang kapasitas panas gas elektron ).

Uap air sebagai fluida kerjap- v, T- s, h- sdiagram.

Uap air adalah fluida kerja dari sebagian besar mekanisme termal. keadaan gas air. Ia tidak memiliki warna, rasa atau bau. Ditemukan di troposfer.

1-2 panaskan air sampai mendidih

2-3 penguapan

3-4 uap super panas

1-2 pemanasan

2-3 mendidih (penguapan)

3-4 terlalu panas

GNP - uap jenuh basah

diagram uap untuk proses uap dan siklus pembangkit listrik termal.

Karakteristik utama uap air: uap jenuh dan panas berlebih, panas penguapan.

Uap jenuh adalah uap dalam kesetimbangan termodinamika dengan cairan atau padatan dengan komposisi yang sama. Ini memiliki suhu yang tergantung pada tekanan media di mana proses perebusan terjadi.

uap super panas - uap dipanaskan sampai suhu di atas titik didih pada tekanan tertentu. Uap super panas digunakan dalam siklus berbagai mesin termal untuk meningkatkan mereka efisiensi. Mendapatkan uap super panas terjadi pada perangkat khusus - pemanas super.

Panas penguapan suatu zat- jumlah kalor yang diperlukan untuk memindahkan 1 mol zat menjadi uap pada titik didih. Diukur dalam Joule.

Proses termodinamika gas ideal. Klasifikasi, persamaan keadaan, nilai indikator “n” dalam persamaan umumpv^ n= konstanuntuk proses dasar.

Proses dasar gas ideal:

Isochoric (mengalir pada volume konstan)

Isobarik (pada tekanan konstan)

Isometrik (pada t konstan)

Adiabatik (proses di mana tidak ada pertukaran panas dengan lingkungan)

Politropik (persamaan memuaskan pv^n=const

Persamaan keadaan: pv= RT atau pv/ T= P

pv^ n= konstan ; eksponen politropik dapat mengambil nilai apa pun dari

Analisis termodinamika proses dalam kompresor.

Ketentuan. Analisis kompresor adalah pekerjaan tertentu yang dikeluarkan untuk mengompresi fluida kerja pada parameter awal dan akhir yang diberikan. Biasanya, kompresor melakukan kompresi politropik dengan indeks politropik n=1,2.

Jenis dan karakteristik kuantitatif perpindahan panas. Konsep perpindahan panas dan perpindahan panas.

Konduktivitas termal- ini adalah proses mentransfer energi internal dari bagian tubuh (atau benda) yang lebih panas ke bagian (atau benda yang kurang panas), yang dilakukan oleh partikel tubuh yang bergerak secara acak (atom, molekul, elektron, dll.).

Konveksi(dari lat. konveksi- "transfer") - fenomena perpindahan panas dalam cairan atau gas, atau media granular oleh aliran materi. Ada yang disebut. konveksi alami, yang terjadi secara spontan dalam suatu zat ketika dipanaskan secara tidak merata dalam medan gravitasi. Dipaksa - Sendiri menyebabkan pergerakan lingkungan.

Radiasi termal - perpindahan panas menggunakan osilasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang berbeda. Sebenarnya pada suhu tinggi.

Kuantitas Har-ki.

[J] - jumlah panas

[J/s] - aliran panas

[L/m^2] – kerapatan fluks panas

Disipasi panas - perpindahan panas dari medium ke dinding atau dari dinding ke medium.

Perpindahan panas - perpindahan panas total dari satu medium ke medium lainnya.

Persamaan panas untuk dinding datar. Arti fisik dari koefisien konduktivitas termal.

Suhu hanya berubah dalam arah x.

Q=λ/ketebalan dinding * (tst1 – tst2) F * τ

- koefisien konduktivitas termal dinding induk

tst1 - tst2 - perbedaan t berakhir. dinding

F - permukaan dinding

Tau adalah waktu.

- koefisien konduktivitas termal [W / m * K] - mencirikan laju perpindahan panas.

Perpindahan panas konvektif: hukum Newton-Richmann, koefisien perpindahan panas dan faktor-faktor yang mempengaruhi nilainya.

Perpindahan panas konvektif - pertukaran energi panas antara permukaan benda padat dan lingkungan. lingkungannya.

hukum Newton-Richmann- keteraturan empiris yang menyatakan aliran panas antara benda yang berbeda melalui perbedaan suhu.

Jumlah panas sebelum konvensi dihitung sesuai dengan keluaran panas. Newton-Richmann Q \u003d aF (tst - tzh) a - koefisien. perpindahan panas.

koefisien perpindahan panas - kerapatan fluks panas pada perbedaan suhu 1K, diukur dalam W / (m² K).

Tergantung:

pada jenis pendingin dan suhunya;

suhu kepala tekanan, jenis konveksi dan rezim aliran;

pada keadaan permukaan dan arah aliran;

dari geometri tubuh.

Jenis persamaan kriteria untuk perpindahan panas konveksi. Arti fisik dari kriteria kesamaantidak, Ulang, gr, Pr.

Nu = l/λ Nu = f(Re1 * Pr) - Kriteria Nusselt(koefisien perpindahan panas tanpa dimensi), mencirikan pertukaran panas antara permukaan dinding dan cairan (gas);

Makan: Nu = f(Gr1*Pr) → Nu = C(Gr*Pr)^n

Contoh: Nu = C * Re^n * Pr^m * (Przh/ Pr st) Re = w l/v, w – m/s, v – throw. Viskositas, m / s, l - perbedaan karakter - Kriteria Reynolds, mencirikan rasio kekuatan inersia dan viskositas dan menentukan sifat aliran cairan (gas); Gr \u003d gl 3 / 2 * (tst - tzh); = 1/T - Kriteria Grashof (konveksi alami), mencirikan gaya angkat yang timbul dalam cairan (gas) karena perbedaan densitas; Pr = (Mcp)/λ; – dinamika viskositas; Cp - kapasitas panas - Kriteria Prandtl mencirikan sifat fisik cairan (gas);

l - menentukan ukuran (panjang, tinggi, diameter).

Termodinamika awalnya muncul sebagai ilmu tentang transformasi panas menjadi kerja. Namun, hukum yang mendasari termodinamika sangat umum sehingga saat ini metode termodinamika digunakan dengan sukses besar untuk mempelajari berbagai proses fisika dan kimia serta untuk mempelajari sifat materi dan radiasi. Seperti telah dicatat dalam 79, ketika mempelajari sifat dan proses transformasi materi, termodinamika tidak mempertimbangkan gambaran mikroskopis dari fenomena. Ini mempertimbangkan fenomena berdasarkan hukum dasar (awal) yang dipelajari dari pengalaman. Untuk alasan ini, kesimpulan yang dicapai oleh termodinamika memiliki tingkat kepastian yang sama dengan hukum yang mendasarinya. Yang terakhir adalah generalisasi dari sejumlah besar data eksperimen.

Dasar termodinamika dibentuk oleh dua prinsipnya. Hukum pertama menetapkan hubungan kuantitatif yang terjadi selama transformasi energi dari satu jenis ke jenis lainnya. Hukum kedua menentukan kondisi di mana transformasi ini dimungkinkan, yaitu menentukan kemungkinan arah proses.

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa jumlah panas yang diberikan ke sistem dihabiskan untuk meningkatkan energi internal sistem dan melakukan pekerjaan pada benda eksternal oleh sistem:

atau dalam bentuk diferensial:

(104.2)

(lihat (83.2) dan (83.4)).

Hukum pertama kadang-kadang dirumuskan sebagai berikut: mobil perpetuum (perpetuum mobile) jenis pertama tidak mungkin, yaitu, mesin yang beroperasi secara berkala yang akan melakukan pekerjaan dalam jumlah yang lebih besar daripada energi yang diterimanya dari luar.

Setiap mesin adalah sistem yang berulang kali melakukan proses melingkar (siklus) tertentu. Biarkan, selama siklus, zat yang bekerja (misalnya, gas) pertama-tama memuai hingga mencapai suatu volume dan kemudian berkontraksi kembali ke volume aslinya (Gbr. 104.1). Agar kerja per siklus lebih besar dari nol, tekanan (dan karenanya suhu) selama ekspansi harus lebih besar daripada selama kompresi. Untuk melakukan ini, zat yang bekerja perlu memberikan panas selama ekspansi, dan selama kompresi, panas harus dihilangkan darinya.

Setelah menyelesaikan siklus, zat kerja kembali ke keadaan semula. Oleh karena itu, perubahan energi internal per siklus adalah nol. Jumlah panas yang diberikan ke fluida kerja per siklus sama dengan di mana adalah panas yang diterima oleh fluida kerja selama ekspansi, adalah panas yang dilepaskan selama kompresi. Pekerjaan A yang dilakukan dalam satu siklus sama dengan luas siklus (lihat 84). Jadi, ekspresi (104.1) yang ditulis untuk loop adalah

Sebuah mesin yang beroperasi secara berkala yang melakukan kerja karena panas yang diterima dari luar disebut mesin panas. Sebagai berikut dari (104.3), tidak semua panas yang diterima dari luar digunakan untuk memperoleh kerja yang berguna. Agar mesin bekerja dalam siklus, bagian yang sama dari panas harus dikembalikan ke lingkungan eksternal dan, oleh karena itu, tidak digunakan untuk tujuan yang dimaksudkan (yaitu, untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat). Jelas, semakin sempurna mesin kalor mengubah panas yang diterima dari luar menjadi kerja berguna A, semakin menguntungkan mesin ini. Oleh karena itu, biasanya untuk mengkarakterisasi mesin kalor dengan efisiensinya (disingkat efisiensi), yang didefinisikan sebagai rasio kerja A yang dilakukan per siklus dengan panas yang diterima per siklus.

Dengan mempertimbangkan relasi (104.3), ekspresi untuk efisiensi dapat ditulis sebagai:

Ini mengikuti dari definisi efisiensi yang tidak bisa lebih besar dari satu.

Jika kita membalikkan siklus yang ditunjukkan pada Gambar. 104.1, Anda mendapatkan siklus chiller. Mesin seperti itu menghilangkan sejumlah panas dari benda dengan suhu dalam satu siklus dan melepaskan sejumlah panas ke benda dengan suhu lebih tinggi. Kerja A harus dilakukan pada mesin dalam satu siklus. , yang dihabiskan untuk membawa mesin beraksi:

Hukum kedua termodinamika, seperti yang pertama, dapat dirumuskan dalam beberapa cara. Kami bertemu dengan salah satu formulasi di 103. Ini terdiri dari pernyataan bahwa entropi sistem yang terisolasi tidak dapat berkurang:

Clausius merumuskan hukum kedua sebagai berikut: proses seperti itu tidak mungkin, satu-satunya hasil akhirnya adalah perpindahan panas dari benda yang kurang panas ke benda yang lebih panas. Seharusnya tidak disajikan sedemikian rupa sehingga hukum kedua secara umum melarang perpindahan panas dari benda yang kurang panas ke benda yang lebih panas. Di mesin pendingin, transisi seperti itu dilakukan. Namun, transisi ini bukan satu-satunya hasil dari proses. Hal ini disertai dengan perubahan tubuh di sekitarnya yang terkait dengan kinerja pekerjaan A pada sistem.

Mari kita tunjukkan bahwa proses imajiner yang dilakukan dalam sistem terisolasi, yang bertentangan dengan hukum kedua dalam perumusan Clausius, disertai dengan penurunan entropi. Dengan demikian, kami akan membuktikan kesetaraan formulasi Clausius dan formulasi statistik dari hukum kedua, yang menurutnya entropi sistem yang terisolasi tidak dapat berkurang.

Kami pertama membuat komentar berikut. Mari kita asumsikan bahwa beberapa benda bertukar panas dengan benda lain, yang akan kita sebut reservoir panas. Biarkan kapasitas panas reservoir menjadi tak terbatas. Ini berarti bahwa penerimaan atau pelepasan panas dalam jumlah terbatas oleh reservoir tidak mengubah suhunya. Proses yang terjadi di dalam tubuh, disertai dengan pertukaran panas dengan reservoir, dapat reversibel hanya jika selama proses ini suhu tubuh sama dengan suhu reservoir yang sesuai. Memang, jika, misalnya, sebuah benda menerima panas dari reservoir dengan suhu yang memiliki suhu lebih rendah dari itu, ketika proses yang sama berlangsung dalam arah yang berlawanan, tubuh akan dapat mengembalikan panas yang diterima darinya ke reservoir jika suhunya dalam hal apapun tidak lebih rendah dari

Akibatnya, selama proses maju dan mundur, suhu tubuh akan berbeda, tubuh melewati dalam kedua kasus melalui urutan keadaan yang berbeda (ditandai dengan suhu yang tidak sama), dan proses yang dipertimbangkan akan menjadi ireversibel.

Dengan demikian, suatu proses yang disertai dengan pertukaran panas dapat reversibel hanya jika, saat menerima panas dan mengembalikannya ke reservoir selama langkah balik, tubuh memiliki suhu yang sama dengan suhu reservoir. Tegasnya, ketika panas diterima, suhu tubuh harus menjadi nilai yang sangat kecil kurang dari suhu reservoir (jika tidak, panas tidak akan mengalir dari reservoir ke tubuh), dan ketika panas dilepaskan, suhu tubuh harus menjadi nilai yang sangat kecil lebih tinggi dari suhu reservoir.

Akibatnya, satu-satunya proses reversibel disertai dengan pertukaran panas dengan reservoir, yang suhunya tetap tidak berubah, adalah proses isotermal yang terjadi pada suhu reservoir.

Pertimbangkan sistem terisolasi yang terdiri dari dua benda dengan kapasitas panas yang sama C. Biarkan tubuh B mentransfer jumlah panas Q ke tubuh A, akibatnya suhu tubuh A naik dari nilai ke , dan suhu tubuh B menurun dari nilai ke Proses seperti itu bertentangan dengan hukum kedua dalam rumusan Clausius. Mari kita cari perubahan entropi dalam kasus ini.

Selama proses ini, pertukaran panas terjadi antara benda-benda dengan suhu yang tidak sama. Menurut apa yang telah dikatakan di atas, proses ini tidak dapat diubah. Rumus (103.20) hanya berlaku untuk proses reversibel. Untuk menemukan perubahan entropi dalam proses ireversibel, lakukan sebagai berikut. Pertimbangkan setiap proses reversibel yang membawa sistem ke keadaan akhir yang sama dengan proses ireversibel yang diberikan, dan hitung kenaikan entropi untuk proses ini dengan rumus

(104.7)

(lihat (103.20)).

Sesuai dengan di atas, pertimbangkan proses reversibel di mana tubuh B melepaskan panas di bagian Q secara berurutan ke serangkaian reservoir dengan suhu mulai dari , dan tubuh A menerima panas di bagian Q dari serangkaian reservoir dengan suhu dari . Akibatnya, sistem akan berpindah secara reversibel dari keadaan di mana benda memiliki suhu ke keadaan di mana suhu benda sama.

Sepintas, mungkin tampak bahwa formulasi seperti itu bertentangan, misalnya, dengan proses ekspansi isotermal dari gas ideal. Memang, semua panas yang diterima oleh gas ideal dari suatu benda diubah sepenuhnya menjadi kerja. Namun, memperoleh panas dan mengubahnya menjadi kerja bukanlah satu-satunya hasil akhir dari proses tersebut; selain itu, sebagai akibat dari proses tersebut, terjadi perubahan volume gas.

Dalam mesin panas, konversi panas menjadi kerja harus disertai dengan proses tambahan - transfer sejumlah panas ke benda yang lebih dingin, akibatnya jumlah panas yang diterima dari benda yang lebih panas tidak dapat sepenuhnya diubah. ke dalam pekerjaan.

Sangat mudah untuk melihat bahwa pernyataan yang terkandung dalam rumusan Kelvin mengikuti secara logis dari pernyataan yang terkandung dalam rumusan Clausius. Nyatanya, usaha dapat diubah seluruhnya menjadi panas, misalnya dengan gesekan. Oleh karena itu, dengan mengubah, melalui proses yang dilarang oleh rumus Kelvin, panas yang diambil dari suatu benda sepenuhnya menjadi kerja, dan kemudian dengan mengubah kerja ini melalui gesekan menjadi panas yang diberikan ke benda lain yang bersuhu lebih tinggi, kita akan membawa proses yang mustahil menurut rumusan Clausius.

Menggunakan proses yang dilarang oleh hukum kedua termodinamika, adalah mungkin untuk membuat mesin yang bekerja karena panas yang diterima dari, misalnya, sumber energi yang hampir tidak ada habisnya seperti lautan.

Dalam praktiknya, mesin seperti itu akan setara dengan mesin gerak abadi. Oleh karena itu, hukum kedua termodinamika kadang-kadang dirumuskan sebagai berikut: gerak abadi jenis kedua tidak mungkin, yaitu, mesin yang beroperasi secara berkala yang akan menerima panas dari satu reservoir dan mengubah panas ini sepenuhnya menjadi kerja.

Ini adalah kasus khusus dari hukum kekekalan dan transformasi energi. Hukum ini menyatakan bahwa energi tidak hilang dan tidak muncul kembali, tetapi hanya berpindah dari satu bentuk ke bentuk lainnya dalam berbagai proses. Jadi, jika tubuh diberitahu tentang jumlah panas Q, maka akan dihabiskan untuk mengubah energi internal tubuh? kamu dan untuk melakukan pekerjaan di luar L:

Hubungan ini merupakan ekspresi analitis dari hukum pertama termodinamika untuk benda tak bergerak.

Dalam bentuk diferensial, hukum ini dapat ditulis:

Atau , atau . (1)

Jika kita substitusikan ke persamaan (1) (hubungan antara pekerjaan mekanik dan teknis), kita mendapatkan:

Ekspresi ( kamu+pv) adalah parameter kalorimetrik dari keadaan tubuh. Dalam termodinamika teknis, parameter ini disebut entalpi dan dilambangkan dengan huruf H dan diukur dalam J, entalpi spesifik dilambangkan h dan diukur dalam J / kg, yaitu

Entalpi adalah jumlah energi dalam dan energi elastis gas (energi tekanan potensial).

Oleh karena itu, hukum pertama termodinamika dapat ditulis sebagai:

.

Dalam proses isobarik ( R= konstan) vdp= 0, maka .

Untuk gas ideal, hubungan berikut berlaku:

Hukum kedua termodinamika terikat dengan ireversibilitas semua proses alam dan merupakan hukum eksperimental yang didasarkan pada pengamatan para ilmuwan selama berabad-abad, tetapi hukum itu baru ditetapkan pada pertengahan abad ke-19. Menjadi hukum statis, hukum kedua termodinamika mencerminkan perilaku sejumlah besar partikel yang membentuk sistem yang terisolasi. Dalam sistem yang terdiri dari sejumlah kecil partikel, mungkin ada penyimpangan dari hukum kedua termodinamika.

Keadaan yang paling mungkin dari sistem termodinamika terisolasi adalah keadaan keseimbangan internalnya, yang sesuai dengan pencapaian nilai maksimum entropi. Oleh karena itu, hukum kedua disebut hukum peningkatan entropi. Berkenaan dengan itu, dapat dirumuskan prinsip sebagai berikut: Entropi sistem yang terisolasi tidak dapat berkurang..

Entropi- Ini parameter keadaan fluida kerja, menetapkan hubungan antara jumlah panas dan suhu. Untuk menentukannya, kami menulis persamaan hukum pertama termodinamika dalam bentuk ini

.

Mari kita bagi ekspresi ini menjadi T, sebuah R ganti dengan , kita peroleh:

atau .

Ekspresi mengatakan bahwa adalah diferensial total dari beberapa fungsi s, yang merupakan parameter keadaan, karena hanya bergantung pada dua parameter keadaan gas dan tidak bergantung pada bagaimana gas berpindah dari satu keadaan ke keadaan lainnya. Entropi dilambangkan dengan huruf S dan diukur dalam J/K. Entropi per 1 kg gas disebut entropi spesifik dan dilambangkan dengan huruf s dan diukur dalam kJ / (K? kg).

Dengan demikian, .

Hukum kedua termodinamika adalah generalisasi dari ketentuan dan postulat yang berlaku untuk mesin panas dan adalah sebagai berikut:

1. Aliran spontan proses alam muncul dan berkembang tanpa adanya keseimbangan antara sistem termodinamika yang berpartisipasi dalam proses dan lingkungan.

2. Proses-proses alam yang terjadi secara spontan di alam, yang pekerjaannya dapat dimanfaatkan oleh manusia, selalu berlangsung hanya dalam satu arah dari potensi yang lebih tinggi ke yang lebih rendah.

3. Jalannya proses yang terjadi secara spontan terjadi dalam arah yang mengarah pada pembentukan keseimbangan antara sistem termodinamika dan lingkungan, dan setelah mencapai keseimbangan ini, proses berhenti.

4. Proses dapat berlangsung dalam arah yang berlawanan dengan proses spontan, jika energi untuk ini dipinjam dari lingkungan luar.

Semua formulasi ini, yang berbeda dalam bentuk, pada dasarnya setara satu sama lain, karena mereka terkait langsung dengan prinsip kemustahilan penurunan entropi: .

Konsep dasar dan definisi

Definisi: Termodinamika - ilmu tentang hukum konversi energi.

Dalam termodinamika, konsep ini banyak digunakan sistem termodinamika.

Definisi: sistem termodinamika disebut seperangkat benda material yang berinteraksi satu sama lain dan dengan lingkungan. Semua benda di luar batas sistem yang dipertimbangkan disebut lingkungan.

Karena satu dan tubuh yang sama, satu dan zat yang sama dalam kondisi yang berbeda dapat berada dalam keadaan yang berbeda (contoh: es v air v uap, satu zat pada suhu yang berbeda), untuk kenyamanan, karakteristik keadaan materi diperkenalkan - disebut parameter keadaan.

Kami mencantumkan parameter utama keadaan materi:

suhu tubuh - menentukan arah kemungkinan perpindahan panas spontan antar benda.

Saat ini, ada beberapa skala suhu dan satuan pengukuran suhu di dunia. Skala Celcius yang paling umum di Eropa, di mana suhu nol adalah titik beku air pada tekanan atmosfer, dan titik didih air pada tekanan atmosfer diambil sebagai 100 derajat Celcius (ºС). Di Amerika Utara, skala Fahrenheit digunakan. Untuk perhitungan termodinamika, skala absolut atau skala Kelvin sangat cocok. Suhu nol mutlak diambil sebagai nol dalam skala ini, pada suhu ini setiap gerakan termal dalam zat berhenti. Secara numerik, satu derajat Kelvin sama dengan satu derajat Celcius.

Suhu yang dinyatakan dalam skala mutlak disebut suhu mutlak.

Rasio untuk pergi dari derajat Celcius ke derajat Kelvin:

T [K] = t [º C] + 273,15,

di mana T adalah suhu dalam Kelvin;

t adalah suhu dalam derajat Celcius.

Tekanan adalah gaya yang bekerja sepanjang garis normal terhadap permukaan benda dan berhubungan dengan satuan luas permukaan ini.

Berbagai unit pengukuran digunakan untuk mengukur tekanan. Dalam sistem SI standar, satuannya adalah Pascal (Pa).

Rasio antar unit:

1 bar = 10 5 Pa

1 kg / cm 2 (atmosfer) \u003d 9,8067 10 4 Pa

1mmHg st (milimeter air raksa) = 133 Pa

1 mm wc Seni. (milimeter kolom air) = 9,8067 Pa

Kepadatan - perbandingan massa suatu zat dengan volume yang ditempatinya.

volume tertentu - kebalikan dari kepadatan yaitu perbandingan volume yang ditempati oleh suatu zat dengan massanya.

Definisi: Jika setidaknya salah satu parameter benda yang memasuki sistem berubah dalam sistem termodinamika, maka proses termodinamika .

Parameter termodinamika utama dari keadaan P, V, T dari benda homogen bergantung satu sama lain dan saling terkait oleh persamaan keadaan:

Untuk gas ideal, persamaan keadaan ditulis sebagai:

P - tekanan

v - volume spesifik

T - suhu

R - konstanta gas (setiap gas memiliki nilainya sendiri)

Jika persamaan keadaan diketahui, maka untuk menentukan keadaan sistem yang paling sederhana, cukup diketahui dua variabel bebas dari 3

P \u003d f1 (v, t); v = f2 (P, T); T = f3 (v, P)

Proses termodinamika sering digambarkan pada grafik keadaan, di mana parameter keadaan diplot sepanjang sumbu. Titik-titik pada bidang grafik semacam itu sesuai dengan keadaan sistem tertentu, garis-garis pada grafik sesuai dengan proses termodinamika yang mentransfer sistem dari satu keadaan ke keadaan lain.

Pertimbangkan sistem termodinamika yang terdiri dari satu benda v dari beberapa gas dalam bejana dengan piston, dan bejana dan piston dalam hal ini adalah lingkungan eksternal. Biarkan, misalnya, gas dalam bejana dipanaskan, dua kasus dimungkinkan:

1) Jika piston tetap dan volume tidak berubah, maka akan terjadi peningkatan tekanan di dalam bejana. Proses seperti ini disebut isokhorik(v=const) berjalan pada volume konstan;

Proses isokhorik dalam koordinat P - T:

v1 >v2 >v3

2) Jika piston bebas, maka gas yang dipanaskan akan memuai, pada tekanan tetap, proses ini disebut isobarik(P=const) berjalan pada tekanan konstan.

Proses isobarik dalam koordinat v - T

P1>P2>P3

Jika, dengan menggerakkan piston, Anda mengubah volume gas dalam bejana, maka suhu gas juga akan berubah, namun, dengan mendinginkan bejana selama kompresi gas dan memanaskan selama pemuaian, Anda dapat mencapai bahwa suhu akan konstan dengan perubahan volume dan tekanan, proses seperti itu disebut isotermal(T = konstan).

Proses isotermal dalam koordinat P-v

Proses di mana tidak ada pertukaran panas antara sistem dan lingkungan disebut adiabatik, sedangkan jumlah kalor dalam sistem tetap (Q=const). Dalam kehidupan nyata, proses adiabatik tidak ada, karena tidak mungkin untuk sepenuhnya mengisolasi sistem dari lingkungan. Namun, proses sering terjadi di mana pertukaran panas dengan lingkungan sangat kecil, misalnya, kompresi cepat gas dalam bejana oleh piston, ketika panas tidak memiliki waktu untuk dihilangkan karena pemanasan piston dan bejana.

Grafik perkiraan proses adiabatik pada koordinat P - v

Definisi: Proses Melingkar (Siklus) - adalah sekumpulan proses yang mengembalikan sistem ke keadaan semula. Jumlah proses yang terpisah dapat berupa angka berapa pun dalam satu lingkaran.

Konsep proses melingkar adalah kunci bagi kita dalam termodinamika, karena pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir didasarkan pada siklus uap-air, dengan kata lain, kita dapat mempertimbangkan penguapan air di inti, rotasi turbin rotor oleh uap, kondensasi uap dan aliran air ke dalam inti sebagai semacam proses atau siklus termodinamika tertutup.

Kehangatan dan pekerjaan.

Tubuh yang berpartisipasi dalam proses pertukaran energi satu sama lain. Energi beberapa benda meningkat, yang lain - berkurang. Perpindahan energi dari satu tubuh ke tubuh lain terjadi dalam 2 cara:

Metode pertama transfer energi selama kontak langsung benda yang memiliki suhu berbeda, melalui pertukaran energi kinetik antara molekul benda yang bersentuhan (atau transfer radiasi menggunakan gelombang elektromagnetik).

Energi dipindahkan dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin.

Energi gerakan kinetik molekul disebut termal, sehingga cara mentransfer energi ini disebut mentransfer energi dalam bentuk panas. Banyaknya energi yang diterima oleh suatu benda dalam bentuk panas disebut panas yang disuplai(dikomunikasikan), dan jumlah energi yang dilepaskan oleh tubuh dalam bentuk panas - menghilangkan panas(diambil).

Penunjukan panas yang biasa adalah Q, dimensinya adalah J. Dalam perhitungan praktis, rasio panas terhadap massa menjadi penting - panas spesifik dilambangkan q satuan J/kg.

Masukan panas positif, panas yang dibuang negatif.

Cara kedua transfer energi dikaitkan dengan adanya medan gaya atau tekanan eksternal. Untuk mentransfer energi dengan cara ini, tubuh harus bergerak dalam medan gaya, atau mengubah volumenya di bawah pengaruh tekanan eksternal.

Metode ini disebut perpindahan energi dalam bentuk usaha.

Jika, sebagai contoh benda, kita menganggap gas dalam bejana dengan piston, maka dalam kasus gaya eksternal diterapkan pada piston, gas dikompresi - kerja dilakukan pada benda, dan dalam kasus ekspansi gas di kapal, pekerjaan, menggerakkan piston, dilakukan oleh tubuh itu sendiri (gas).

Besarnya energi yang diterima suatu benda dalam bentuk usaha disebut pekerjaan yang dilakukan pada tubuh, dan yang diberikan - pekerjaan yang dikeluarkan oleh tubuh.

Jumlah energi dalam bentuk usaha biasanya dilambangkan L dimensi J Pekerjaan tertentu- rasio kerja terhadap berat badan dilambangkan aku dimensi - J / kg.

Definisi: Badan kerja - sejumlah zat yang, berpartisipasi dalam siklus termodinamika, melakukan pekerjaan yang berguna.

Fluida kerja di plant reaktor RBMK adalah air, yang setelah diuapkan di teras dalam bentuk steam, bekerja di turbin, memutar rotor.

Definisi: Perpindahan energi dalam proses termodinamika dari satu benda ke benda lain, yang terkait dengan perubahan volume fluida kerja, dengan pergerakannya di ruang luar atau dengan perubahan posisinya disebut proses kerja .

Hukum pertama termodinamika.

Perumusan: Dalam sistem termodinamika terisolasi, jumlah semua jenis energi adalah nilai konstan.

Hukum ini adalah kasus khusus dari hukum universal kekekalan dan transformasi energi, yang menyatakan bahwa energi tidak muncul atau hilang, tetapi hanya berpindah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Dari hukum ini dapat disimpulkan bahwa penurunan energi total dalam satu sistem yang terdiri dari satu atau banyak benda harus disertai dengan peningkatan energi dalam sistem benda yang lain.

Ada rumusan lain dari undang-undang ini:

1. Munculnya atau hancurnya energi tidak mungkin (formulasi ini berbicara tentang ketidakmungkinan munculnya energi dari ketiadaan dan kehancurannya menjadi ketiadaan);

2. Setiap bentuk gerakan mampu dan harus diubah menjadi bentuk gerakan lainnya (formulasi filosofis ini menekankan energi yang tidak dapat dihancurkan dan kemampuannya untuk saling bertransformasi menjadi jenis energi lain);

3. Sebuah mesin gerak abadi dari jenis pertama tidak mungkin. (Sebuah mesin gerak abadi dari jenis pertama dipahami sebagai mesin yang akan mampu melakukan pekerjaan tanpa menggunakan sumber energi apa pun);

4. Panas dan kerja adalah satu-satunya dua bentuk perpindahan energi yang mungkin dari satu benda ke benda lainnya.

entalpi.

Pada abad terakhir, Gibss memperkenalkan fungsi baru ke dalam praktik perhitungan termal - entalpi.

Definisi: Entalpi - adalah jumlah energi internal tubuh dan produk dari tekanan dan volume.

I=U+PV

I - entalpi; U - energi internal; P - tekanan; V - volume.

Entalpi spesifik saya adalah perbandingan entalpi suatu benda dengan massanya.

Entalpi spesifik adalah parameter keadaan.

Nilai entalpi spesifik uap dan air pada tekanan dan suhu tertentu dapat ditemukan di buku referensi. Dengan menggunakan data ini, dimungkinkan untuk menentukan jumlah panas yang terlibat dalam proses atau kerja proses.

Entropi

Panas q bukan fungsi keadaan, jumlah kalor yang dilepaskan atau diserap dalam proses tergantung pada proses itu sendiri. Fungsi keadaan adalah entropi yang dilambangkan S satuan J/K

dS = dQ/T

dS - diferensial entropi; dQ - perbedaan panas; T adalah suhu mutlak;