HUKUM KEDUA TERMODINAMIK: FORMULA, PERSAMAAN, CONTOH - FIZIKAL - 2025

The undang-undang kedua termodinamik mempunyai beberapa bentuk ungkapan. Salah satunya menyatakan bahawa tidak ada enjin haba yang dapat mengubah sepenuhnya tenaga yang diserapnya menjadi kerja yang boleh digunakan (formulasi Kelvin-Planck). Cara lain untuk menyatakannya adalah dengan mengatakan bahawa proses sebenar berlaku sedemikian rupa sehingga kualiti tenaga lebih rendah kerana entropi cenderung meningkat.

Undang-undang ini, juga dikenal sebagai prinsip termodinamika kedua, telah dinyatakan dengan cara yang berlainan dari masa ke masa, dari awal abad kesembilan belas hingga sekarang, walaupun asalnya berasal dari penciptaan mesin wap pertama di England. , pada awal abad ke-18.

Gambar 1. Semasa melemparkan blok bangunan ke tanah, akan sangat mengejutkan jika mereka jatuh dengan teratur. Sumber: Pixabay.

Tetapi walaupun dinyatakan dalam banyak cara, idea yang penting cenderung tidak teratur dan tidak ada proses yang 100% efisien, kerana kerugian akan selalu ada.

Semua sistem termodinamik mematuhi prinsip ini, bermula dari alam semesta itu sendiri hingga secawan kopi pagi yang menunggu dengan tenang di atas meja bertukar panas dengan persekitaran.

Kopi menyejuk seiring berjalannya waktu, sehingga keseimbangan termal dengan persekitaran, jadi akan sangat mengejutkan jika suatu hari sebaliknya berlaku dan persekitaran menyejukkan ketika kopi memanas. Ia tidak mungkin terjadi, ada yang mengatakan tidak mungkin, tetapi cukup untuk membayangkannya untuk mendapatkan idea tentang perasaan di mana sesuatu berlaku secara spontan.

Dalam contoh lain, jika kita meluncurkan buku di permukaan meja, ia akhirnya akan berhenti, kerana tenaga kinetiknya akan hilang sebagai panas kerana geseran.

Undang-undang termodinamik pertama dan kedua ditetapkan sekitar tahun 1850, terima kasih kepada saintis seperti Lord Kelvin - pencipta istilah "termodinamik" -, William Rankine - pengarang teks formal pertama mengenai termodinamik - dan Rudolph Clausius.

Formula dan persamaan

Entropi - disebutkan di awal - membantu kita untuk menentukan rasa di mana sesuatu berlaku. Mari kembali kepada contoh badan yang terkena haba.

Apabila dua objek pada suhu yang berlainan bersentuhan dan akhirnya setelah beberapa saat mencapai keseimbangan terma, mereka didorong oleh fakta bahawa entropi mencapai maksimum, ketika suhu keduanya sama.

Dengan menandakan entropi sebagai S, perubahan entropi ΔS sistem diberikan oleh:

Perubahan entropi ΔS menunjukkan tahap gangguan dalam sistem, tetapi ada batasan dalam penggunaan persamaan ini: ia hanya berlaku untuk proses yang boleh dibalikkan, iaitu proses di mana sistem dapat kembali ke keadaan semula tanpa meninggalkan jejak apa yang berlaku-

Dalam proses yang tidak dapat dipulihkan, hukum termodinamika kedua muncul seperti berikut:

Proses berbalik dan tidak dapat dipulihkan

Cawan kopi selalu menjadi sejuk dan merupakan contoh yang baik dari proses yang tidak dapat dipulihkan, kerana selalu berlaku hanya dalam satu arah. Sekiranya anda menambahkan krim ke dalam kopi dan goncang, anda akan mendapat kombinasi yang sangat bagus, tetapi tidak kira seberapa banyak anda menggoncang lagi, anda tidak akan minum kopi dan krim secara berasingan lagi, kerana pengadukan tidak dapat dipulihkan.

Gambar 2. Kerosakan cawan adalah proses yang tidak dapat dipulihkan. Sumber: Pixabay.

Walaupun sebahagian besar proses harian tidak dapat dipulihkan, ada yang hampir tidak dapat dipulihkan. Kebolehbalikan adalah idealisasi. Agar ini berlaku, sistem mesti berubah dengan sangat perlahan, sedemikian rupa sehingga pada setiap titik selalu berada dalam keseimbangan. Dengan cara ini adalah mungkin untuk mengembalikannya ke keadaan sebelumnya tanpa meninggalkan jejak di sekitarnya.

Proses yang cukup hampir dengan ideal ini lebih berkesan, kerana ia menghasilkan lebih banyak kerja dengan penggunaan tenaga yang lebih sedikit.

Daya geseran bertanggung jawab atas banyak yang tidak dapat dipulihkan, kerana haba yang dihasilkan olehnya bukanlah jenis tenaga yang dicari. Dalam buku yang meluncur di seberang meja, haba geseran adalah tenaga yang tidak dapat dipulihkan.

Walaupun buku itu kembali ke kedudukan asalnya, jadualnya akan menjadi panas sebagai jejak datang dan terus menerus.

Sekarang lihat bola lampu pijar: sebahagian besar kerja yang dilakukan oleh arus melalui filamen terbuang dalam panas oleh kesan Joule. Hanya peratusan kecil yang digunakan untuk memancarkan cahaya. Dalam kedua-dua proses (buku dan bola lampu), entropi sistem telah meningkat.

Permohonan

Motor yang ideal adalah motor yang dibina menggunakan proses terbalik dan tidak mempunyai geseran yang menyebabkan pembaziran tenaga, mengubah hampir semua tenaga haba menjadi kerja yang boleh digunakan.

Kami menekankan perkataan hampir, kerana bahkan mesin yang ideal, iaitu Carnot's, 100% cekap. Undang-undang termodinamik kedua memastikan bahawa ini tidak berlaku.

Enjin Carnot

Enjin Carnot adalah enjin paling cekap yang boleh dibuat. Ia beroperasi di antara dua tangki suhu dalam dua proses isotermal - pada suhu tetap - dan dua proses adiabatik - tanpa pemindahan tenaga terma.

Grafik yang disebut PV - diagram isipadu tekanan - menjelaskan keadaan sekilas:

Rajah 3. Di sebelah kiri rajah motor Carnot dan di sebelah kanan rajah PV. Sumber: Wikimedia Commons.

Di sebelah kiri, dalam rajah 3 adalah rajah mesin Carnot C, yang mengambil haba Q ₁ dari tangki yang berada pada suhu T ₁ , mengubah haba itu menjadi kerja W dan memindahkan sisa Q ₂ ke tangki yang lebih sejuk, yang berada pada suhu T ₂ .

Bermula dari A, sistem mengembang hingga mencapai B, menyerap haba pada suhu tetap T ₁ . Di B, sistem memulakan pengembangan adiabatik di mana tidak ada haba yang diperoleh atau hilang, untuk mencapai C.

Di C satu lagi proses isotermal bermula: proses pemindahan haba ke deposit termal sejuk lain yang berada di T ₂ . Apabila ini berlaku, sistem dimampatkan dan mencapai titik D. Terdapat proses adiabatik kedua untuk kembali ke titik permulaan A. Dengan cara ini satu kitaran selesai.

Kecekapan enjin Carnot bergantung pada suhu di Kelvin dari dua takungan terma:

Teorema Carnot menyatakan bahawa ini adalah enjin haba yang paling cekap di luar sana, tetapi jangan terlalu cepat membelinya. Ingat apa yang kita katakan mengenai kebolehbalikan proses? Ia mesti berlaku dengan sangat perlahan, jadi output kuasa mesin ini hampir tidak ada.

Metabolisme manusia

Manusia memerlukan tenaga untuk memastikan semua sistemnya berfungsi, oleh itu mereka berperilaku seperti mesin termal yang menerima tenaga dan mengubahnya menjadi tenaga mekanikal untuk, misalnya, bergerak.

Kecekapan tubuh manusia ketika melakukan kerja dapat didefinisikan sebagai hasil antara daya mekanik yang dapat diberikannya dan jumlah input tenaga yang disertakan dengan makanan.

Oleh kerana daya min P _m adalah kerja W yang dilakukan dalam selang waktu Δt, maka dapat dinyatakan sebagai:

Sekiranya ΔU / Δt adalah kadar di mana tenaga ditambahkan, kecekapan badan menjadi:

Melalui banyak ujian dengan sukarelawan, kecekapan hingga 17% telah dicapai, memberikan tenaga sekitar 100 watt selama beberapa jam.

Sudah tentu, itu sangat bergantung pada tugas yang dilakukan. Mengayuh basikal mempunyai kecekapan yang sedikit lebih tinggi, sekitar 19%, sementara tugas berulang yang meliputi sekop, pick dan cangkul serendah sekitar 3%.

Contoh

Hukum termodinamik kedua tersirat dalam semua proses yang berlaku di Alam Semesta. Entropi selalu meningkat, walaupun dalam beberapa sistem tampaknya menurun. Untuk ini berlaku, ia mesti meningkat di tempat lain, sehingga dalam keseimbangan keseluruhannya adalah positif.

- Dalam pembelajaran terdapat entropi. Ada orang yang belajar sesuatu dengan baik dan cepat, serta dapat mengingatnya dengan mudah kemudian. Dikatakan bahawa mereka adalah orang dengan pembelajaran entropi rendah, tetapi pastinya mereka kurang banyak daripada mereka yang mempunyai entropi tinggi: mereka yang merasa lebih sukar untuk mengingat perkara yang mereka pelajari.

- Syarikat yang mempunyai pekerja yang tidak teratur mempunyai lebih banyak entropi daripada syarikat di mana pekerja menjalankan tugas dengan teratur. Jelas bahawa yang terakhir akan lebih efisien daripada yang sebelumnya.

- Daya geseran menghasilkan kecekapan yang lebih rendah dalam operasi mesin, kerana mereka meningkatkan jumlah tenaga yang hilang yang tidak dapat digunakan dengan efisien.

- Melancarkan dadu mempunyai entropi yang lebih tinggi daripada membalikkan duit syiling. Bagaimanapun, melemparkan koin hanya mempunyai 2 hasil yang mungkin, sementara melemparkan koin mempunyai 6. Semakin banyak peristiwa yang berlaku, semakin banyak entropi.

Latihan yang diselesaikan

Latihan 1

Silinder omboh diisi dengan campuran cecair dan wap air pada suhu 300 K dan 750 kJ haba dipindahkan ke air dengan proses tekanan berterusan. Akibatnya, cecair di dalam silinder menguap. Hitung perubahan entropi dalam proses tersebut.

Gambar 4. Gambar untuk contoh yang telah diselesaikan 1. Sumber: F. Zapata.

Penyelesaian

Proses yang dijelaskan dalam pernyataan itu dilakukan pada tekanan berterusan dalam sistem tertutup, yang tidak mengalami pertukaran massa.

Oleh kerana ia adalah pengewapan, di mana suhu tidak berubah sama ada (semasa fasa berubah suhu tetap), definisi perubahan entropi yang diberikan di atas dapat diterapkan dan suhu dapat berada di luar integral:

ΔS = 750,000 J / 300 K = 2,500 J / K.

Oleh kerana haba memasuki sistem, perubahan entropi adalah positif.

Latihan 2

Gas mengalami peningkatan tekanan dari 2.00 hingga 6.00 atmosfer (atm), mengekalkan isipadu tetap 1.00 m ³ , dan kemudian mengembang pada tekanan berterusan hingga mencapai isipadu 3.00 m ³ . Akhirnya ia kembali ke keadaan awal. Hitung berapa banyak kerja yang dilakukan dalam 1 kitaran.

Rajah 5. Proses termodinamik dalam gas misalnya 2. Sumber: Serway -Vulle. Asas Fizik.

Penyelesaian

Ini adalah proses kitaran di mana variasi tenaga dalaman adalah sifar, menurut hukum termodinamik pertama, oleh itu Q = W. Dalam gambarajah PV (tekanan - isipadu), kerja yang dilakukan semasa proses kitaran adalah setara ke kawasan yang diliputi oleh lekuk. Untuk memberikan hasil dalam Sistem Antarabangsa, perlu dilakukan perubahan unit dalam tekanan menggunakan faktor penukaran berikut:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 Pa.

Luas yang dilampirkan oleh grafik sesuai dengan segitiga yang asasnya (3 - 1 m ³ ) = 2 m ³ dan tingginya (6 - 2 atm) = 4 atm = 405,300 Pa

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

Latihan 3

Salah satu mesin paling cekap yang pernah dibina dikatakan sebagai turbin wap arang batu di Sungai Ohio, yang digunakan untuk menghidupkan penjana elektrik yang beroperasi antara tahun 1870 dan 430 ° C.

Hitung: a) Kecekapan teori maksimum, b) Kuasa mekanikal yang dikeluarkan oleh mesin jika menyerap tenaga 1.40 x 10 ⁵ J setiap saat dari tangki panas. Kecekapan sebenar diketahui 42.0%.

Penyelesaian

a) Kecekapan maksimum dikira dengan persamaan yang diberikan di atas:

Untuk menukar darjah selsius ke kelvin, tambah 273.15 ke suhu selsius:

Mengalikan dengan 100% memberikan kecekapan peratusan maksimum, iaitu 67,2%

c) Sekiranya kecekapan sebenar adalah 42%, terdapat kecekapan maksimum 0.42.

Kuasa mekanikal yang dihantar adalah: P = 0.42 x 1.40 x10 ⁵ J / s = 58800 W

Rujukan

1. Bauer, W. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamik. Edisi 7 ^ma . Bukit McGraw.
3. Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 4. Cecair dan Termodinamik. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi.
5. López, C. Undang-undang Termodinamik Pertama. Dipulihkan dari: culturacientifica.com.
6. Serway, R. 2011. Asas Fizik. 9 ^na Pembelajaran Cengage.
7. Universiti Sevilla. Mesin Termal. Dipulihkan dari: laplace.us.es