WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаТехнічні науки → Закони термодинаміки і термодинамічні величини (функції) системи - Реферат

Закони термодинаміки і термодинамічні величини (функції) системи - Реферат

На другому відрізку циклу (ІІ—ІІІ) система продовжує виконувати роботу без надходження тепла в адіабатичному процесі розширення за рахунок зменшення внутрішньої енергії .

Наступний процес циклу (ІІІ—ІV) — ізотермічне стискання газу відбувається за сталої температури холодильника за рахунок витрати зовнішньої роботи (над системою): . При цьому тепло, в яке трансформується робота стискання газу системи , цілком переходить до холодильника (внутрішня енергія системи не змінюється). Отже, .

На останньому відрізку циклу (ІV—I) для стискання газу необхідно, як і на попередньому, витратити зовнішню роботу над системою, але за адіабатичного процесу, в якому енергія роботи повністю витрачається на підвищення внутрішньої енергії температури системи. Відрізок (IV—І) завершує цикл за температури нагрівача , і система повертається до початкового стану.

Аналізуючи наведені вище розрахунки Аn і Аx та графік циклу Карно (рис. 16), зауважимо, що площа, обмежена V1 – I – II – III – V3, відображає повну роботу системи ідеального газу (Sсист.) за збільшення її об'єму від V1 до V3, а площа, обмежена V1 – I – II – III – V3, — роботу зовнішньої сили над системою — Sнадсист., зменшуючи її об'єм від V3 до V1. Це повертає систему до вихідного стану. При цьому завжди Sсист. > Sнадсист..

Отже, висновок: така теплова машина може працювати безперервно, перетворюючи за кожного циклу лише частину теплової енергії, отриманої від нагрівача, в роботу, що дорівнює різниці площі Sсист. і Sнадсист., тобто площі, обмеженої графіком циклу Карно (I – II – III – IV – І).

Отже, ідеальна машина перетворила в роботу тільки частину тепла — "високотемпературну енергію" (за ), яку отримала від підігрівача , а другу частину — — "транзитом" уже як "низькотемпературну" (за ) передала холодильнику. Запишемо їх співвідношення: , або , або .

Величина і є відомим коефіцієнтом корисної енергії (корисної дії) як штучної машини, так і природних процесів, наприклад океанічних течій від теплих широт до полярних. Як бачимо, завжди менше за одиницю. Саме це і є одним із положень другого закону термодинаміки.

Ілюстрацією дії другого закону термодинаміки в природному процесі може бути явище, яке вже було розглянуто за визначення ентальпії фотосинтезу: коефіцієнт конверсії сонячної енергії, яка надходить до зеленого листка з температурою, близькою до температури виходу, становить лише 0,02...0,04.

У техніці за рахунок більшої різниці температур робочої речовини "на вході" і "на виході", наприклад у двигунах внутрішнього згоряння чи турбінах, коефіцієнт конверсії (корисної дії) на порядок вищий.

Зі сказаного можна зробити два важливі висновки:

1) усі довільні процеси як в природі, так і в техніці, котрі зв'язані з перетворенням енергії, можуть відбуватись тільки за умов зниження її концентрованості, своєрідного розсіювання, як це має місце, коли тепло "енергії високої температури" гарячого предмета довільно "перетікає" в холодний предмет і, нагріваючи його, розсіюється в ньому, перетворюючись на "енергію нижчої температури";

2) що нижча концентрованість енергії, то менша ефективність її перетворення (нижчий ) у впорядковану форму енергії — роботу чи внутрішню енергію хімічної структури речовини. У процесах перетворення тепла на роботу коефіцієнт конверсії () збільшується, коли більшою є різниця температур між теплом "на вході" і "на виході" робочої речовини.

За другим законом термодинаміки саме міра концентрованості енергії чи структурної впорядкованості системи в цілому визначається спеціальною функцією стану системи — ентропією (від грец. — перетворення). Ентропія позначається великою латинською літерою S. Як і відомі нам функції стану системи: тиск (P), об'єм (V), температура (T), внутрішня енергія (U) і ентальпія (H), нова функція — ентропія характеризує стан системи і її зміни.

Якщо перший закон термодинаміки називають законом збереження енергії, то другий — законом зміни ентропії.

Теорія термодинаміки показує, що зміна ентропії системи дорівнює відношенню енергії, яка передається (ізотермічно) у формі теплоти q, до абсолютної температури T, що можна записати рівнянням:

, або . (1)

Відтак розмірність ентропії становитиме L2MT–2–1, а одиниця . Для кожної речовини обчислено значення стандартної молярної ентропії відносно 25°С (див. табл. 13).

З рівняння (1) випливає, що в довільних процесах збільшення поглинання системою енергії за певної температури (і зниження останньої) призводить до більшої неупорядкованості (збільшення ентропії), і навпаки. Це є обов'язковою ознакою всіх довільних процесів.

Розглянемо якісну зміну функції ентропії процесу горіння (окиснення) біомаси деревини.

Система просторового розміщення атомів у деревині визначається високовпорядкованою хімічною структурою її основних складових (целюлози й лігніну). Під час горіння деревини (довільний процес) відбувається деструкція речовини, роз'єднання атомів, їх відокремлення у формі газу і хаотичне розпорошення в просторі одночасно з деградацією концентрованої енергії хімічного зв'язку атомів у низькоконцентровану теплову енергію навколишнього середовища. Отже, процес горіння деревини супроводжується збільшенням сумарної ентропії системи і її довкілля .

Щодо живих організмів, екосистем чи біосфери Землі в цілому, забезпечення внутрішньої впорядкованості систем за умов постійного поглинання енергії зумовлює необхідність підтримувати стале значення ентропії. Це є можливим лише за постійного розсіювання більшої частини сонячної енергії, що її поглинають рослини, чи енергії їжі — тваринами у менш концентровану теплову. Це відбувається в процесі дихання (окиснення).

При цьому, зменшуючи ентропію власної (внутрішньої) системи, живі організми значно підвищують ентропію довкілля. За визначенням Г. Одума (H. Odum) відбувається так званий процес "відкачування невпорядкованості".

Розглянувши перший і другий закони термодинаміки (їх ще називають основами термодинаміки), ми ознайомились із термодинамічними функціями: внутрішньою енергією, ентальпією і ентропією. Звернімо увагу на те, що на відміну від таких функцій, як температура, тиск, об'єм, які можемо "бачити" чи "відчувати", енергію і ентропію наші органи чуттів не сприймають. Наприклад, за зовнішнім виглядом палива ми не можемо оцінити його питомої теплоти згоряння, але це не перешкоджає широкому використанню цих понять у науці. Проте слід зазначити, що вичерпного визначення суті ентропії, тобто другого закону термодинаміки, в одній дефініції не існує.

Є кілька визначень цього найзагальнішого закону природи, розуміння якого формує наукове мислення і полегшує сприймання широкого кола природних явищ, у тім числі і явища здобуття знань (інформації) людиною в процесі навчання. Наведемо кілька формулювань цього закону видатними вченими сучасності.

1. Кожний довільний процес (фізичний чи хімічний) у природі відбувається в такий спосіб, щоб збільшувалась сума ентропій усіх тіл, які беруть участь у цьому процесі (М. Планк).

2. Стан з максимальною ентропією є найстійкішим для ізольованої системи (Е. Фермі).

3. Отримання інформації є процесом зменшення ентропії(Г. Льюіс).

4. Неможлива довільна передача теплоти від холоднішого тіла до більш гарячого (тривіальна істина).

5. Ентропіяцепокажчик напрямку (стрілка) часу (А. Едінгтон).

Останнє і перше формулювання закону підказують, що довільні процеси в системі відбуваються у послідовності, якій відповідає послідовність збільшення ентропії цих процесів. Отже, другий закон термодинаміки стверджує, що для будь-яких довільних процесів повна зміна ентропії , що включає зміну ентропії як самої системи , так і ентропії зовнішнього середовища завжди буде більшою за нуль [].

Розглянемо нескладний і цікавий приклад обчислення зміни ентропії під час згоряння водню, яке відбувається за екзотермічною реакцією, отже зі зменшенням внутрішньої енергії.

Розрахунок зміни стандартної молярної ентропії в наведеній хімічній реакції виконується за аналогією з розрахунком : зміна дорівнює різниці між сумарною стандартною ентропією продуктів реакції і вихідних реагентів .

Значення стандартної ентропії для кожного компонента системи знайдемо у довіднику (див. табл. 13) і підставимо їх у рівняння:

Loading...

 
 

Цікаве