Второй закон термодинамики Энди ⇐ Васина Википедия

[wiki_de]

Второй закон термодинамики, основанный на наблюдениях, гласит, что тепло всегда передается от более теплого тела к более холодному, но не наоборот. Отсюда мы можем вывести дальнейшие эквивалентные утверждения о направлении процессов и принципе необратимости процесса. Для этого нет никаких доказательств (логики)|доказательств. Определение термодинамической температуры|термодинамической температуры и в то же время переменной состояния энтропии можно вывести из второго закона. Различие между эксергией и анергией и тот факт, что эффективность Тепловой двигатель не может превысить КПД Карно.

== История ==
ВОЗМОЖНАЯ ВЕРСИЯ

Второй закон тепла, также известный как закон энтропии, описывает фундаментальную необратимость природных процессов и ограничение преобразования тепла в работу. Ее развитие тесно связано с пониманием термодинамических процессов в XIX веке.
Французский физик Сади Карно заложил основу второго закона в 1824 году своей работой по эффективности тепловых двигателей. Он показал, что максимальная эффективность зависит только от температуры задействованных тепловых резервуаров. Рудольф Клаузиус ввел понятие энтропии в 1850 году и сформулировал принцип, согласно которому тепло не может само по себе перейти от более холодного тела к более теплому. В то же время Уильям Томсон (лорд Кельвин) работал над аналогичными принципами и сформулировал утверждение о невозможности полного преобразования тепла в работу.
Более поздняя работа Людвига Больцмана связала второй закон со статистической механикой, интерпретируя энтропию как меру беспорядка системы. Это понимание привело к более глубокому пониманию термодинамических законов на молекулярном уровне.
Второй закон до сих пор формирует многие области физики и техники и обеспечивает фундаментальное понимание необратимой природы процессов в закрытых системах.

НАСТРОЙКА

С изобретением термометра стало возможным определять температуру 17 века.
Такие ученые, как Роберт Бойл, Эдме Мариотт | Эдме Мариотт и Жозеф Луи Гей-Люссак, провели многочисленные эксперименты и эмпирически сформулировали газовые законы, которые показывают связь между давлением (физикой) | давлением, температурой и объемом газа. Среди прочих, именно Амедео Авогадро|Амадео Авогадро смог распространить эти законы, первоначально обнаруженные для почти идеального газа|идеальных газов, на реальный газ|реальные газы.

В 1884 году Уильям Томсон, первый барон Кельвин, ввел абсолютную температурную шкалу. Это привело к единой температурной классификации газовых законов и, таким образом, сделало их сопоставимыми друг с другом.

Связь между теплом и работой доминировала в дискуссиях в конце 17 века. Во-первых, Джозеф Блэк одержал победу со своей теорией теплового материала. Он уже различал количество тепла и разницу температур. Он также ввел термины «теплоемкость» и «скрытая теплота».

Предполагалось, что существует специальный материал под названием «Теория теплорода», объясняющий некоторые явления (например, выравнивание температуры при соприкосновении холодного тела с теплым). «Calorique» должен представлять собой эластичную жидкость, в которой отдельные частицы отталкивают друг друга и прилипают к телам с разными предпочтениями.

Жозеф Фурье | Жан Батист Жозеф Фурье сформулировал математические законы, описывающие распространение тепла. Пьер-Симон Лаплас | Пьер Симон Лаплас вывел уравнения состояния газов на основе теории теплового материала. Оба варианта действительны и сегодня.

Джеймс Уотт и Николя Леонар Сади Карно работали над эффективностью тепловых двигателей. Хотя Николя Леонар Сади Карно также предполагал, что количество теплоты будет сохраняться, он нашел правильную формулу, которая зависит только от температур двух теплоаккумулаторов.

Оставалась проблема теплоты трения, которую нельзя было адекватно объяснить в рамках теории теплоты материала. Бенджамин Томпсон | Бенджамин Томпсон исследовал тепло, выделяющееся при сверлении стволов пушек. Он нашел, что увеличение этого тепла примерно пропорционально механической работе. После смены парадигмы в пользу новой теории закон сохранения энергии был переформулирован:
== Срок действия ==
Даже на основе основного уравнения квантовой теории, уравнения Шрёдингера для многих тел, до сих пор не было доказательства того, что второй закон является фундаментальным законом классической физики в его общей применимости для любых макроскопических систем. И наоборот, «уравнение Шредингера» — это всего лишь наблюдение, и нет никаких доказательств его общей применимости в квантово-механических системах для любых макроскопических систем, основанных на принципах термодинамики и физики в целом.

Что касается справедливости второго закона, необходимо проводить различие между микроскопической или субмикроскопической и макроскопической областью. В броуновском движении частицы могут не только останавливаться после движения, но и снова начинать двигаться из состояния покоя. Последний процесс соответствует преобразованию тепловой энергии в кинетическую энергию более высокого качества и должен сопровождаться охлаждением окружающей среды.Альфред Лоттермозер: «Краткое введение в коллоидную химию». Дрезден/Лейпциг, 1944, стр. 70–71.

== Утверждения Второго закона ==
Для второго начала термодинамики было создано множество различных, частично эквивалентных формулировок:
* Тепло не может перейти «само собой» от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.
* Теплота не может быть «полностью» преобразована в работу периодически работающей машиной. Это было бы реализацией вечного двигателя второго рода.
* Эффективность процесса Карно не может быть превышена.
*Все процессы, происходящие самопроизвольно (в одном направлении), являются необратимыми процессами.
*Все процессы, в которых происходит трение, необратимы.
*Процессы балансировки и смешивания необратимы (кроме идеального газа#Обратимое смешение газов|Обратимые смеси идеальных газов).
* В замкнутой адиабатической системе энтропия не может уменьшаться.
* Термодинамическое равновесие изолированных термодинамических систем характеризуется принципом максимума энтропии.

=== Предпочтительное направление процессов ===
Второй закон термодинамики, сформулированный Рудольфом Клаузиусом|Клаузиусом:

«'''Не существует такого изменения состояния, единственным результатом которого является передача тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.'''

Проще говоря: тепло не может само по себе передаваться от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой. Существует предпочтительное направление процесса теплопередачи. Это утверждение поначалу кажется излишним, поскольку соответствует повседневному опыту. Тем не менее оно эквивалентно всем остальным, менее «самоочевидным» утверждениям, поскольку все противоречия другим утверждениям можно свести к противоречию этому.

Второй закон термодинамики, сформулированный Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином|Кельвином и Максом Планком|Планком:

«'''Невозможно построить периодически работающую машину, которая ничего бы не делала, кроме как поднимать груз и охлаждать тепловой резервуар.'''"
Первому закону термодинамики не противоречило бы предположение, что можно снабдить силовую машину, независимо от ее типа, постоянным потоком тепла, которое затем полностью выделяется в виде механической или электрической энергии. Такая машина называется вечным двигателем второго типа. Соответствующая формулировка второго закона такова:

'''Вечный двигатель второго рода невозможен.'''

Если предположить, что существует двигатель, не зависящий от радиатора для рассеивания тепла, то тепло можно было бы удалить из окружающей среды и преобразовать в механическую работу. Например, двигатель корабля можно получить за счет охлаждения морской воды.

Согласно рисунку справа, вы также можете использовать это для извлечения тепла из резервуара или контейнера и использования преобразованной энергии для привода теплового насоса, который использует обратимый процесс Карно для передачи тепла из другого контейнера с более низкой температурой в первый с более высокой температурой. Тогда количество тепла, подаваемого в более теплый контейнер, будет больше, чем количество тепла, поглощаемого двигателем, поскольку энергия, выделяемая тепловым насосом, состоит из суммы поглощенного тепла и работы привода. Если представить себе границу системы, проведенную вокруг обеих машин, включая два тепловых контейнера, то внутри этой закрытой системы (термодинамика)|замкнутой системы - т.е. без обмена энергией и веществом с окружающей средой - тепло в конечном итоге перетекло бы от более холодного тела к более теплому. . Это противоречит первому утверждению.

=== КПД тепловых двигателей ===
В принципе, то же противоречие возникает и с предположением, что можно построить двигатель, более эффективный, чем машина, работающая по процессу Карно. Эта машина также будет брать меньше тепла из более теплого контейнера, чем тепловой насос Карно, который она приводит в действие, подает его в него. Соответствующая форма утверждения второго закона такова:

'''Не существует тепловой машины, которая при заданных средних температурах тепловложения и теплоотвода имела бы более высокий КПД, чем КПД Карно, сложившийся из этих температур.'''

: \eta_c = 1 - \frac{T_\mathrm{cold{T_\mathrm{горячий

Наименование средних температур важно, поскольку резервуар тепла обычно меняет свою температуру за счет добавления или отвода тепла.

''T'' - это не просто любая температура (например, не температура по Цельсию или Фаренгейту | Фаренгейту) системы, а скорее это температура из уравнения состояния идеального газа | «идеальный газ», или лучше «абсолютная температура» ( Кельвина), определяемую эффективностью только что установленного процесса Карно.

В этом контексте можно сформулировать следующее:

'''Все обратимые теплоэнергетические процессы с одинаковыми средними температурами подвода и теплоотвода имеют такой же КПД, как и соответствующий процесс Карно.'''

и:

'''Все необратимые теплоэнергетические процессы имеют меньший КПД.'''

=== Энтропия Первый закон термодинамики можно обобщить в количественную формулу, используя переменную энергию состояния и связанный с ней энергетический баланс. Количественная реализация второго закона термодинамики аналогично возможна через введенную Клаузиусом переменную состояния энтропию и установление баланса энтропии. Балансы энтропии могут быть установлены для закрытых, закрытых и открытых систем. В процессах потока баланс относится к частице жидкости, движущейся через систему, и его можно рассматривать как замкнутую движущуюся систему.

Для закрытой системы баланс энтропии равен:

: \mathrm{d}S = \frac{\delta Q}{T} + \frac{\delta W_\mathrm{diss{T}

Исходный термин \delta W_\mathrm{diss} — это работа, рассеиваемая внутри системы: работа, которая не уходит наружу, но увеличивает внутреннюю энергию в результате процессов трения, дросселирования или удара. . Она всегда на позитиве. Соответствующий член в уравнении называется энтропией, производимой в системе. \delta обозначает неполный дифференциал, а \mathrm d обозначает полный дифференциал.

Если рассматривать открытую систему, то к приведенному выше балансу энтропии добавляется еще одно слагаемое, учитывающее увеличение или уменьшение энтропии в результате переноса массы через границу системы. Однако если вы посмотрите на закрытую систему, то есть закрытую систему, которая также является адиабатической и в которой применяется \delta Q = 0 , произойдет следующее:

: \mathrm{d}S = \frac{\delta W_\mathrm{diss{T}

и полученное утверждение о «производстве энтропии»:

'''В замкнутой адиабатической системе энтропия не может уменьшаться, она обычно возрастает. Оно остается постоянным только в обратимых процессах.'''

Здесь также легко увидеть эквивалентность первому утверждению Клаузиуса. Автоматический тепловой поток от более холодного контейнера к более теплому в схеме, изображенной выше, будет означать, что энтропия более холодного контейнера (более низкая температура «Т» в знаменателе) уменьшается больше, чем энтропия более теплого увеличивается, т.е. общая энтропия в системе уменьшается, что невозможно.

=== Термодинамическая температура ===
Для обратимого процесса
применяется
:\dot S = \frac{\dot Q}{T}.

На основании этой связи определение термодинамической температуры можно получить, решив для T:

:T = \frac{\dot Q}{\dot S.

Из этой формулы видно, что термодинамическая температура имеет абсолютный ноль, но не может стать отрицательной, и что тепло течет от более высоких температур к более низким. С другой стороны, эмпирическая температура может также предполагать отрицательные температуры, как в случае со шкалой Цельсия, или определяться с противоположным знаком.

=== Эксергия и Анергия ===
С учетом описанных связей следующее предложение также является формой изложения второго закона:

'''Тепловая энергия системы состоит из части эксергии и части анергии, причем эксергетическая часть исчезает при переходе системы в окружающее состояние.'''

Эксергия — это часть тепловой энергии, которая может быть преобразована в другие формы энергии. Если тело или систему, находящуюся в состоянии, отличном от состояния окружающей среды, обратимо привести в окружающее состояние, то ее эксергия выделяется в виде работы. Тепло, которое тело (например, горячий дымовой газ в котле электростанции) выделяет при охлаждении до температуры окружающей среды, теоретически можно преобразовать в работу. Эксергетический компонент получается путем сложения дифференциальных (розовых) компонентов площади выше температуры окружающей среды T_U .

: E_\mathrm{ex}= \int_{S_2}^{S_1} \left({T(S) - T_U}\right)\mathrm{d}S

Теплоотводом этих процессов для поглощения анергии (синяя область под T_U ) является окружающая среда. Если газ в исходном состоянии имеет не только более высокую температуру, чем окружающее состояние, но и более высокое давление, то полная эксергия состоит не только из эксергетической части теплоты, но и из части объемной работы.
/>
Термический КПД реальной тепловой машины всегда меньше 1 и - из-за заданного машинами управления процессом и неизбежных диссипативных эффектов - также всегда меньше, чем у идеальной тепловой машины:

: \eta_\mathrm{th} = 1 - \frac{T_U}{T_{m_\mathrm{zu} = \frac{\text{эксергия{\text{тепловая энергия

где T_U — температура окружающей среды, а T_{m_\mathrm{zu — средняя температура теплоснабжения. Это получается, когда желтая область эксергии заменяется прямоугольником такой же площади над линией температуры окружающей среды.

Таким образом, второй закон имеет важные технические последствия. Поскольку многие машины, передающие механическую энергию, генерируют ее в обход тепловой энергии (например, дизельный двигатель: химическая энергия \rightarrow тепловая энергия \rightarrow механическая энергия ), ограничения Второй закон всегда применим к их эффективности. Для сравнения, гидроэлектростанции, которым не требуется промежуточная ступень тепловой энергии во время преобразования, обеспечивают значительно более высокий КПД.

=== Приемник энтропии ===
Система, которая импортирует энтропию из другой системы, называется «приемником энтропии». Энтропия стока увеличивается. Поскольку энтропия — это широкий термин, существует множество различных стоков энтропии.Клаус Лангехайнеке: «Термодинамика для инженеров». Vieweg, 1993. В классической термодинамической тепловой машине, согласно Карно, работа генерируемый потоком энергии управляется между источниками горячей энергии, стоком холодной энтропии и рабочим резервуаром.Сельчук Чакмак, Ферди Алтынтас, Озгур Э. Мустекаплиоглу: «Необратимая работа и внутреннее трение в квантовом цикле Отто с одним произвольным спином».
== Пример Второго закона ==
Бессиловый газ всегда распределяется так, что полностью и равномерно заполняет имеющийся объем. Вы можете понять, почему это так, если посмотрите на противоположный случай. Представьте себе герметичный ящик в невесомости, в котором движется единственная частица. Тогда вероятность обнаружить это при измерении в левой половине прямоугольника равна точно \tfrac{1}{2}. С другой стороны, если в ящике две частицы, то вероятность найти обе в левой половине составляет всего лишь \tfrac{1}{2}\cdot\tfrac{1}{2} = \tfrac {1} {4}, а для частиц "particle number|N" - частиц, соответствующих \left(\tfrac{1}{2}\right)^N. Число атомов в объёме в один кубический метр при нормальном давлении составляет порядка примерно 3\cdot 10^{25} частиц. Получающаяся в результате вероятность того, что газ в ящике самопроизвольно сконцентрируется в одной половине, настолько мала, что такое событие, вероятно, никогда не произойдет.

Как макроскопическое уравнение, нарушающее симметрию, следует из обратимых во времени микроскопических уравнений классической механики (без трения), выясняется в статистической механике. Кроме того, энтропия имеет здесь четкое значение: это мера хаоса/беспорядка системы или информации, содержащейся в системе. Однако второй закон теряет статус «строго действующего» закона в статистической механике и рассматривается там как закон, в котором исключения на макроскопическом уровне в принципе возможны, но в то же время настолько маловероятны, что практически не возникают. Если посмотреть на микроскопическом уровне, например: Небольшие статистические колебания вокруг состояния равновесия, даже в закрытых системах, приводят к тому, что энтропия также несколько колеблется вокруг максимального значения и также может уменьшаться на короткое время.

== Второй закон как степенной закон ==
Второй закон дает предпочтительное направление спонтанным, реальным процессам. Они продвигаются от начального состояния A таким образом, что энтропия увеличивается до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равновесия B. На основе классической статистической механики можно вывести следующее утверждение:

'''Процесс протекает самопроизвольно от A к B тогда и только тогда, когда средняя составляющая силы в направлении пути процесса положительна.'''

Имеется в виду двойное усреднение по (а) ансамблю или времени и (б) длине пути. Это не доказательство Второго закона, там просто говорится, что он эквивалентен закону силы, определяющему направление. Закон силы применяется к системам, в которых термодинамические состояния, такие как A и B, задаются пространственным расположением масс и сил. Это применимо не только к машинам, но и к химическим реакциям, пока они протекают в основном электронном состоянии.Шлиттер, Юрген: [https://www.mdpi.com/1099-4300/20/4/234 «Второй закон термодинамики как закон силы», Энтропия 2018, 20, 234; doi:10.3390/e20040234

== См. также ==
* Первый закон термодинамики
* Теорема Нернста (третий закон термодинамики)

== Литература ==
* Карл Стефан (инженер-технолог) | Карл Стефан, Франц Майингер: «Термодинамика. Основы и технические приложения». 2 тома, Springer Verlag
** Том 1: «Одноматериальные системы». 15-е издание. 1998, ISBN 3-540-64250-1.
** Том 2: «Многовещественные системы и химические реакции». 14-е издание. 1999, ISBN 3-540-64481-4.
* Ханс Дитер Баер, Стефан Кабелак: «Термодинамика, основы и технические приложения». 13-е, исправленное и расширенное издание. Springer Verlag, 2006, ISBN 3-540-32513-1.
* Ханс Дитер Баер, Карл Стефан: «Тепло- и массоперенос». 5-е, недавно отредактированное издание. Springer Verlag, 2006, ISBN 3-540-32334-1.
* Клаус Лангехайнеке, Питер Яни, Ойген Сапер: «Термодинамика для инженеров». 5-е издание. Vieweg Verlag, Висбаден, 2004 г., ISBN 3-528-44785-0.

* [http://www.soft-matter.uni-tuebingen.de ... ipten.html Eberhard-Karls-Universität Tübingen] : 2-й закон термодинамики, энтропия, уравнение состояния реальных газов и фазовые превращения, (конспекты к лекции Экспериментальная физика I, номер 12; PDF, 9 страниц).
* [http://www.elektronik-kompendium.de/pub ... ermody.htm Основные законы термодинамики]



Категория:Термодинамика

Подробнее: https://de.wikipedia.org/wiki/Zweiter_H ... namik_Andy