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Introducción_3
Características generales y formulación de la segunda ley de la termodinámica 4.
El concepto de entropía_ 8
Conclusión_ 10
Referencias_ 11
Introducción
Actualmente, la energía térmica y las instalaciones térmicas se utilizan ampliamente en diversas industrias. economía nacional. En las empresas industriales constituyen la parte más importante del equipamiento tecnológico.
La ciencia que estudia los métodos de uso de la energía combustible, las leyes de los procesos de cambio del estado de la materia, los principios de funcionamiento de diversas máquinas y dispositivos, las instalaciones energéticas y tecnológicas se llama ingeniería térmica. Fundamentos teóricos La ingeniería térmica es termodinámica y teoría de la transferencia de calor.
La termodinámica se basa en leyes (principios) fundamentales, que son una generalización de las observaciones de los procesos que ocurren en la naturaleza, independientemente de las propiedades específicas de los cuerpos. Esto explica la universalidad de los patrones y las relaciones entre cantidades fisicas obtenido de estudios termodinámicos.
La primera ley de la termodinámica caracteriza y describe los procesos de conversión de energía desde el punto de vista cuantitativo y proporciona todo lo necesario para la elaboración del balance energético de cualquier instalación o proceso.
La segunda ley de la termodinámica, al ser la ley de la naturaleza más importante, determina la dirección en la que proceden los procesos termodinámicos, establece posibles límites para la conversión de calor en trabajo en procesos circulares y permite dar una definición estricta de conceptos como el de entropía. , temperatura, etc En este sentido, la segunda ley de la termodinámica complementa significativamente a la primera.
El principio de la inalcanzabilidad del cero absoluto se acepta como tercera ley de la termodinámica.
La teoría de la transferencia de calor estudia los patrones de transferencia de calor de una región del espacio a otra. Los procesos de transferencia de calor son procesos de intercambio de energía interna entre los elementos del sistema considerado en forma de calor.
Características generales y formulación de la segunda ley de la termodinámica.
Los procesos naturales siempre están dirigidos a que el sistema alcance un estado de equilibrio (mecánico, térmico o cualquier otro). Este fenómeno se refleja en la segunda ley de la termodinámica, que tiene gran valor y para analizar el funcionamiento de máquinas de energía térmica. De acuerdo con esta ley, por ejemplo, el calor sólo puede transferirse espontáneamente desde un cuerpo con temperatura más alta a un cuerpo con una temperatura más baja. para implementar proceso inverso debe ser gastado cierto trabajo. En este sentido, la segunda ley de la termodinámica se puede formular de la siguiente manera: Es imposible un proceso en el que el calor se transfiera espontáneamente de cuerpos más fríos a cuerpos más calientes. (postulado de Clausius, 1850).
La segunda ley de la termodinámica también determina las condiciones bajo las cuales el calor puede convertirse en trabajo durante el tiempo que se desee. En cualquier proceso termodinámico abierto, con un aumento de volumen, trabajo positivo:
,
donde l es el trabajo final,
v 1 y v 2 son el volumen específico inicial y final, respectivamente;
pero el proceso de expansión no puede continuar indefinidamente, por tanto, la posibilidad de convertir calor en trabajo es limitada.
La conversión continua de calor en trabajo se realiza únicamente en un proceso o ciclo circular.
Cada proceso elemental incluido en el ciclo se lleva a cabo cuando se aporta o elimina calor. dq, va acompañado de la finalización o gasto de trabajo, un aumento o disminución de la energía interna, pero siempre cuando se cumpla la condición dQ= dU+ dL Y dq= du+ dl, lo que muestra que sin suministro de calor ( dq=0) trabajo externo sólo se puede lograr debido a la energía interna del sistema, y el suministro de calor a un sistema termodinámico está determinado por el proceso termodinámico. La integración en circuito cerrado proporciona:
, 
, porque . Aquí control de calidad Y Lc- respectivamente, el calor convertido en trabajo en el ciclo y el trabajo realizado por el fluido de trabajo, que es la diferencia | L 1 | - |L 2| Trabajos positivos y negativos de procesos elementales del ciclo.
La cantidad elemental de calor se puede considerar suministrada. ( dQ>0) y desviado ( dq<0) del fluido de trabajo. La suma del calor suministrado en el ciclo |Q 1 | y la suma del calor eliminado |Q 2 |. Por eso,
Lc = Q C =|P 1 | - |P 2 |.
El suministro de cantidad de calor Q 1 al fluido de trabajo es posible en presencia de una fuente externa con una temperatura superior a la temperatura del fluido de trabajo. Esta fuente de calor se llama caliente. La eliminación de la cantidad de calor Q 2 del fluido de trabajo también es posible en presencia de una fuente de calor externa, pero con una temperatura inferior a la temperatura del fluido de trabajo. Esta fuente de calor se llama frío. Así, para completar un ciclo es necesario disponer de dos fuentes de calor: una con temperatura alta, el otro con baja. En este caso, no toda la cantidad de calor gastada Q 1 se puede convertir en trabajo, ya que la cantidad de calor Q 2 se transfiere a una fuente fría.
Las condiciones de funcionamiento de un motor térmico son las siguientes:
La necesidad de dos fuentes de calor (frío y calor);
Funcionamiento cíclico del motor;
Transferencia de parte de la cantidad de calor recibida de una fuente caliente a otra fría sin convertirla en trabajo.
En este sentido, a la segunda ley de la termodinámica se le pueden dar varias formulaciones más:
- la transferencia de calor de una fuente fría a una caliente es imposible sin el costo del trabajo;
- es imposible construir una máquina que funcione periódicamente y que, en consecuencia, enfríe el depósito de calor;
- la naturaleza se esfuerza por lograr una transición de estados menos probables a otros más probables.
Cabe destacar que la segunda ley de la termodinámica (como la primera) se formula sobre la base de la experiencia.
en la mayoría vista general La segunda ley de la termodinámica se puede enunciar de la siguiente manera: cualquier proceso espontáneo real es irreversible. Todas las demás formulaciones de la segunda ley son casos especiales de la formulación más general.
W. Thomson (Lord Kelvin) propuso la siguiente formulación en 1851: Es imposible, por medio de un agente material inanimado, obtener trabajo mecánico de cualquier masa de materia enfriándola por debajo de la temperatura del objeto más frío que la rodea.
M. Planck propuso una formulación más clara que la de Thomson: Es imposible construir una máquina que funcione periódicamente, cuyo funcionamiento completo se reduciría al concepto de una determinada carga y enfriamiento de una fuente de calor. Una máquina que funciona periódicamente debe entenderse como un motor que continuamente (en un proceso cíclico) convierte calor en trabajo. De hecho, si fuera posible construir una máquina térmica que simplemente tomara calor de alguna fuente y lo transformara continuamente (cíclicamente) en trabajo, entonces esto contradiría la posición de que un sistema puede producir trabajo sólo cuando no hay equilibrio. (en particular, en relación con un motor térmico, cuando hay una diferencia de temperatura entre las fuentes frías y calientes en el sistema).
Si no hubiera restricciones impuestas por la segunda ley de la termodinámica, esto significaría que sería posible construir un motor térmico con una sola fuente de calor. Un motor de este tipo podría funcionar enfriando, por ejemplo, agua del océano. Este proceso podría continuar hasta que toda la energía interna del océano se convirtiera en trabajo. Una máquina térmica que actuaría de esta manera fue nombrada acertadamente por V.F. máquina de movimiento perpetuo segundo tipo (a diferencia de una máquina de movimiento perpetuo del primer tipo, que funciona en contra de la ley de conservación de la energía). De acuerdo con lo anterior, la formulación de la segunda ley de la termodinámica dada por Planck se puede modificar de la siguiente manera: la implementación de una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es imposible.
Cabe señalar que la existencia de una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo no contradice la primera ley de la termodinámica; de hecho, en este motor el trabajo no se produciría a partir de la nada, sino a partir de la energía interna contenida en la fuente de calor, por lo que desde el punto de vista cuantitativo, el proceso de obtención de trabajo a partir del calor en este caso no sería imposible. Sin embargo, la existencia de un motor de este tipo es imposible desde el punto de vista cualitativo del proceso de transferencia de calor entre cuerpos.
El concepto de entropía.
La discrepancia entre la transformación de calor en trabajo y el trabajo en calor conduce a una dirección unilateral de los procesos reales en la naturaleza, lo que refleja el significado físico de la segunda ley de la termodinámica en la ley sobre la existencia y el aumento de los procesos reales de un cierta función llamada entropía , definiendo medida de la depreciación de la energía.
A menudo, la segunda ley de la termodinámica se presenta como un principio unificado de existencia y aumento de la entropía.
Segunda ley de la termodinámica
Históricamente, la segunda ley de la termodinámica surgió del análisis del funcionamiento de las máquinas térmicas (S. Carnot, 1824). Hay varias formulaciones equivalentes. El mismo nombre de “segunda ley de la termodinámica” e históricamente su primera formulación (1850) pertenecen a R. Clausius.
La primera ley de la termodinámica, que expresa la ley de conservación y transformación de la energía, no nos permite establecer la dirección de los procesos termodinámicos. Además, se pueden imaginar muchos procesos que no contradicen el primer principio, en el que se conserva la energía, pero en la naturaleza no ocurren.
La experiencia demuestra que los diferentes tipos de energía no tienen la misma capacidad para convertirse en otros tipos de energía. La energía mecánica se puede convertir completamente en energía interna de cualquier cuerpo. Existen ciertas restricciones para la transformación inversa de energía interna en otros tipos: el suministro de energía interna, bajo ninguna circunstancia, puede convertirse completamente en otros tipos de energía. Las características destacadas de las transformaciones de energía están asociadas con la dirección de los procesos en la naturaleza.
La segunda ley de la termodinámica es un principio que establece la irreversibilidad de los procesos macroscópicos que ocurren a una velocidad finita.
A diferencia de lo puramente mecánico (sin fricción) o electrodinámico (sin liberación de calor Joule) procesos reversibles, los procesos asociados con el intercambio de calor con una diferencia de temperatura finita (es decir, fluyendo a una velocidad finita), con fricción, difusión de gases, expansión de gases en el vacío, liberación de calor Joule, etc., son irreversibles, es decir, pueden ocurrir espontáneamente en una sola dirección.
La segunda ley de la termodinámica refleja la dirección de los procesos naturales e impone restricciones a las posibles direcciones de las transformaciones de energía en sistemas macroscópicos, indicando qué procesos en la naturaleza son posibles y cuáles no.
La segunda ley de la termodinámica es un postulado que no se puede probar en el marco de la termodinámica. Fue creado sobre la base de una generalización de hechos experimentales y recibió numerosas confirmaciones experimentales.
Declaraciones de la segunda ley de la termodinámica.
1). formulación de carnot: La mayor eficiencia de un motor térmico no depende del tipo de fluido de trabajo y está completamente determinada por las temperaturas límite., entre los que opera la máquina.
2). formulación de clausius: Es imposible un proceso cuyo único resultado es la transferencia de energía en forma de calor desde un cuerpo menos calentado., a un cuerpo más cálido.
La segunda ley de la termodinámica no prohíbe la transferencia de calor de un cuerpo menos calentado a uno más calentado. Esta transición se produce en una máquina frigorífica, pero al mismo tiempo fuerzas externas realizan trabajo en el sistema, es decir, esta transición no es el único resultado del proceso.
3). formulación Kelvin: El proceso circular no es posible., cuyo único resultado es la conversión de calor., recibido del calentador, en un trabajo equivalente.
A primera vista, puede parecer que esta formulación contradice la expansión isotérmica de un gas ideal. De hecho, todo el calor que recibe un gas ideal de algún cuerpo se convierte completamente en trabajo. Sin embargo, obtener calor y convertirlo en trabajo no es el único resultado final del proceso; Además, como resultado del proceso, se produce un cambio en el volumen del gas.
PD: hay que prestar atención a las palabras “único resultado”; las prohibiciones del segundo principio se levantan si los procesos en cuestión no son los únicos.
4). La formulación de Ostwald: la implementación de una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es imposible.
Una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es un dispositivo que funciona periódicamente., que funciona enfriando una fuente de calor.
Un ejemplo de este tipo de motor sería el motor de un barco, que extrae calor del mar y lo utiliza para propulsar el barco. Un motor así sería prácticamente eterno, porque... El suministro de energía en el medio ambiente es prácticamente ilimitado.
Desde el punto de vista de la física estadística, la segunda ley de la termodinámica es de naturaleza estadística: es válida para el comportamiento más probable del sistema. La existencia de fluctuaciones impide su correcta implementación, pero la probabilidad de cualquier violación significativa es extremadamente pequeña.
entropía
El concepto de "entropía" fue introducido en la ciencia por R. Clausius en 1862 y se forma a partir de dos palabras: " es" - energía, " tropo- Lo giro.
Según la ley cero de la termodinámica, un sistema termodinámico aislado, con el tiempo, entra espontáneamente en un estado de equilibrio termodinámico y permanece en él durante un tiempo indefinidamente largo si las condiciones externas permanecen sin cambios.
En un estado de equilibrio, todos los tipos de energía del sistema se convierten en energía térmica del movimiento caótico de los átomos y moléculas que componen el sistema. En un sistema así no son posibles procesos macroscópicos.
La entropía sirve como medida cuantitativa de la transición de un sistema aislado a un estado de equilibrio. A medida que el sistema pasa a un estado de equilibrio, su entropía aumenta y alcanza un máximo cuando se alcanza el estado de equilibrio.
La entropía es una función del estado de un sistema termodinámico, denotada por: .
Antecedentes teóricos: calor reducido,entropía
De la expresión de la eficiencia del ciclo de Carnot: 
se deduce que o , donde es la cantidad de calor que desprende el fluido de trabajo al frigorífico, aceptamos: .
Entonces la última relación se puede escribir como:
La relación entre el calor recibido por un cuerpo en un proceso isotérmico y la temperatura del cuerpo que libera calor se llama cantidad reducida de calor:
Teniendo en cuenta la fórmula (2), la fórmula (1) se puede representar como:
aquellos. para el ciclo de Carnot, la suma algebraica de las cantidades reducidas de calor es igual a cero.
La cantidad reducida de calor impartida al cuerpo en una porción infinitesimal del proceso: .
La cantidad de calor dada para un área arbitraria:
Un riguroso análisis teórico muestra que para cualquier proceso circular reversible la suma de las cantidades reducidas de calor es igual a cero:
Del hecho de que la integral (4) es igual a cero, se deduce que el integrando es el diferencial completo de alguna función, que está determinada únicamente por el estado del sistema y no depende del camino por el cual el sistema llegó a este estado:
Función de estado de un solo valor, cuyo diferencial total es ,llamado entropía .
La fórmula (5) es válida sólo para procesos reversibles; en el caso de procesos irreversibles sin equilibrio, dicha representación es incorrecta.
Propiedades de la entropía
1). La entropía se determina hasta una constante arbitraria. El significado físico no es la entropía en sí misma, sino la diferencia entre las entropías de dos estados:
. (6)
Ejemplo: si un sistema (gas ideal) hace una transición de equilibrio del estado 1 al estado 2, entonces el cambio de entropía es igual a:
,
Dónde ; 
.
aquellos. el cambio de entropía de un gas ideal durante su transición del estado 1 al estado 2 no depende del tipo de proceso de transición.
EN caso general en la fórmula (6) el incremento de entropía no depende del camino de integración.
2).valor absoluto La entropía se puede establecer utilizando la tercera ley de la termodinámica (teorema de Nernst):
La entropía de cualquier cuerpo tiende a cero cuando su temperatura tiende al cero absoluto.: .
Por lo tanto, el punto de referencia inicial para la entropía se toma en .
3). La entropía es una cantidad aditiva, es decir La entropía de un sistema de varios cuerpos es la suma de las entropías de cada cuerpo: .
4). Al igual que la energía interna, la entropía es función de los parámetros del sistema termodinámico. .
5), Un proceso que ocurre con entropía constante se llama isentrópico.
En procesos de equilibrio sin transferencia de calor, la entropía no cambia.
En particular, un proceso adiabático reversible es isentrópico: para ello; , es decir. .
6). A volumen constante, la entropía es una función que aumenta monótonamente de la energía interna del cuerpo.
De hecho, de la primera ley de la termodinámica se deduce que cuando tenemos: , Entonces . Pero la temperatura siempre está ahí. Por tanto, los incrementos tienen el mismo signo, como se requería demostrar.
Ejemplos de cambios de entropía en varios procesos.
1). Durante la expansión isobárica de un gas ideal
2). Durante la expansión isocórica de un gas ideal
3). Durante la expansión isotérmica de un gas ideal
.
4). Durante las transiciones de fase
Ejemplo: encuentre el cambio de entropía cuando una masa de hielo a temperatura se convierte en vapor.
Solución
Primera ley de la termodinámica: 
.
De la ecuación de Mendeleev-Clapeyron se deduce: .
Entonces las expresiones de la primera ley de la termodinámica tomarán la forma:
.
Durante la transición de un estado de agregación a otro, cambio general La entropía consiste en cambios en procesos individuales:
A). Calentar hielo desde la temperatura hasta el punto de fusión:
, donde está la capacidad calorífica específica del hielo.
B). Hielo derritiéndose: 
, donde está el calor específico de fusión del hielo.
EN). Calentar agua desde la temperatura hasta el punto de ebullición:
, donde es la capacidad calorífica específica del agua.
GRAMO). Evaporación de agua: 
, donde está el calor específico de vaporización del agua.
Entonces el cambio de entropía total es:
El principio de entropía creciente.
Entropía de un sistema cerrado para cualquier los procesos que ocurren en él no disminuyen:
o para el proceso final: , por lo tanto: .
El signo igual se refiere a un proceso reversible, el signo de desigualdad se refiere a un proceso irreversible. Las dos últimas fórmulas son la expresión matemática de la segunda ley de la termodinámica. Así, la introducción del concepto de "entropía" permitió formular la segunda ley de la termodinámica de forma estrictamente matemática.
Los procesos irreversibles conducen al establecimiento de un estado de equilibrio. En este estado, la entropía del sistema aislado alcanza su máximo. En un sistema así no son posibles procesos macroscópicos.
La magnitud del cambio de entropía es una característica cualitativa del grado de irreversibilidad del proceso.
El principio de entropía creciente se aplica a sistemas aislados. Si el sistema no está aislado, su entropía puede disminuir.
Conclusión: porque Dado que todos los procesos reales son irreversibles, todos los procesos en un sistema cerrado conducen a un aumento de su entropía.
Justificación teórica del principio.
Consideremos un sistema cerrado que consta de un calentador, un refrigerador, un fluido de trabajo y un "consumidor" del trabajo realizado (un cuerpo que intercambia energía con el fluido de trabajo solo en forma de trabajo), realizando un ciclo de Carnot. Este es un proceso reversible, el cambio de entropía es igual a:
,
¿Dónde está el cambio de entropía del fluido de trabajo? – cambio en la entropía del calentador; – cambio en la entropía del frigorífico; – cambio en la entropía del “consumidor” de la obra.
La segunda ley de la termodinámica, como la primera, es un postulado fundamentado por siglos de experiencia humana. El descubrimiento de esta ley se vio facilitado por el estudio de las máquinas térmicas. científico francés S. Carnot Fue el primero en demostrar (1824) que cualquier máquina térmica debe contener, además de una fuente de calor (calentador) y un fluido de trabajo (vapor, gas ideal, etc.) que realice un ciclo termodinámico, también un refrigerador, que debe tener un Temperatura inferior a la temperatura del calentador.
Coeficiente acción útil η un motor térmico de este tipo que funciona en un ciclo reversible ( ciclo de carnot), no depende de la naturaleza del fluido de trabajo que realiza este ciclo, sino que está determinado únicamente por las temperaturas del calentador. t 1 y refrigerador t 2:
Dónde q 1 – cantidad de calor impartido al fluido de trabajo a temperatura t 1 del calentador; q 2 – cantidad de calor emitido por el fluido de trabajo a temperatura t 2 frigoríficos.
La segunda ley de la termodinámica es una generalización de la derivación de Carnot a procesos termodinámicos arbitrarios que ocurren en la naturaleza. Se conocen varias formulaciones de esta ley.
Clausio(1850) formulado segunda ley de la termodinámica Entonces: un proceso en el que el calor se transfiera espontáneamente de cuerpos más fríos a cuerpos más calientes es imposible.
W. Thomson (Kelvin)(1851) propuso la siguiente formulación: Es imposible construir una máquina que funcione periódicamente, cuya actividad se reduciría toda a realizar trabajos mecánicos y la correspondiente refrigeración del depósito.
El postulado de Thomson se puede formular de la siguiente manera: una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es imposible. Una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es un dispositivo que, sin compensación, convertiría periódicamente por completo el calor de un cuerpo en trabajo (W. Ostwald). Bajo compensación comprender el cambio de estado del fluido de trabajo o la transferencia de parte del calor del fluido de trabajo a otros cuerpos y el cambio en el estado termodinámico de estos cuerpos durante el proceso circular de conversión de calor en trabajo.
La segunda ley de la termodinámica establece que sin compensación en un proceso circular, ni un solo julio de calor se puede convertir en trabajo. El trabajo se convierte en calor sin ninguna compensación. Este último está asociado, como se señaló anteriormente, con el proceso espontáneo de disipación de energía (depreciación).
La segunda ley de la termodinámica introduce la función de estado del sistema, que caracteriza cuantitativamente el proceso de disipación de energía.. En este sentido, las formulaciones anteriores de la segunda ley de la termodinámica son equivalentes, ya que implican la existencia funciones del estado del sistema - entropía.
Actualmente segunda ley de la termodinámica se formula de la siguiente manera: Existe una función aditiva del estado del sistema S: la entropía, que se relaciona de la siguiente manera con el calor que ingresa al sistema y la temperatura del sistema.:
Para reversible procesos; (3.2)
Para irreversible procesos. (3.3)
De este modo, durante procesos reversibles en un sistema adiabáticamente aislado, su entropía no cambia (dS = 0), y durante procesos irreversibles aumenta (dS > 0).
A diferencia de la energía interna, el valor de la entropía de un sistema aislado depende de la naturaleza de los procesos que ocurren en él: Durante la relajación, la entropía de un sistema aislado debería aumentar, alcanzando valor máximo en equilibrio.
En general Segunda ley de la termodinámica para un sistema aislado. está escrito así:
La entropía de un sistema aislado aumenta si en él se producen procesos espontáneos irreversibles o permanece constante. Por lo tanto, la segunda ley de la termodinámica también se define como ley de entropía no decreciente en sistemas aislados.
Así, la segunda ley de la termodinámica da Criterio para procesos espontáneos en un sistema aislado.. En un sistema de este tipo sólo pueden ocurrir espontáneamente procesos acompañados de un aumento de la entropía. Los procesos espontáneos terminan con el establecimiento del equilibrio en el sistema. Esto significa que en estado de equilibrio la entropía de un sistema aislado es máxima. De acuerdo con esto el criterio de equilibrio en un sistema aislado será
Si participas en el proceso sistema no aislado, Eso Para evaluar la irreversibilidad (espontaneidad) del proceso, es necesario conocer el cambio de entropía del sistema dS. 1 y cambio de entropía ambiente dS 2. Si aceptamos eso sistema y ambiente(a menudo se les llama "el universo") formar un sistema aislado, entonces la condición para la irreversibilidad del proceso será
eso es El proceso será irreversible si el cambio total en la entropía del sistema y del medio ambiente es mayor que cero..
El medio ambiente es una enorme reserva; su volumen y temperatura no cambian durante el intercambio de calor con el sistema. Por lo tanto, para el medio ambiente podemos equiparar δQ = du y no importa si la transferencia de calor se produce de forma reversible o irreversible, ya que δQ llegar, y δQ aproximadamente igual du ambiente. De este modo, el cambio de entropía del medio ambiente es siempre igual.
Disposiciones básicas de la segunda ley de la termodinámica.
La primera ley de la termodinámica, siendo un caso especial de la ley general de conservación y transformación de la energía, establece que el calor se puede convertir en trabajo y el trabajo en calor, sin establecer las condiciones bajo las cuales estas transformaciones son posibles.
No considera en absoluto la cuestión de la dirección del proceso térmico y, sin conocer esta dirección, es imposible predecir su naturaleza y resultados.
Por ejemplo, la primera ley no resuelve la cuestión de si el calor se transferirá de un cuerpo calentado a uno frío o viceversa. Las observaciones y experimentos cotidianos muestran que el calor sólo puede transferirse por sí solo de los cuerpos calentados a los más fríos. La transferencia de calor del cuerpo calentado al medio ambiente se producirá hasta que la temperatura se equilibre por completo con el medio ambiente. Sólo mediante el esfuerzo se puede cambiar la dirección del movimiento del calor.
Esta propiedad del calor lo distingue claramente del trabajo.
El trabajo, como todos los demás tipos de energía involucrados en cualquier proceso, se convierte fácil y completamente en calor. La conversión completa del trabajo en calor ya era conocida por el hombre en la antigüedad, cuando producía fuego frotando dos trozos de madera. Los procesos de conversión de trabajo en calor ocurren continuamente en la naturaleza: fricción, impacto, frenado, etc.
El calor se comporta de manera completamente diferente, por ejemplo, en los motores térmicos. La conversión de calor en trabajo ocurre sólo si hay una diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el disipador de calor. En este caso, no todo el calor se puede convertir en trabajo.
De lo anterior se desprende que existe una profunda diferencia entre la transformación de calor en trabajo y viceversa. Una ley que permite indicar la dirección del flujo de calor y establece el máximo límite posible La conversión de calor en trabajo en motores térmicos es nueva ley, obtenido de la experiencia. Esta es la segunda ley de la termodinámica, que tiene significado general para todos los procesos térmicos. La segunda ley de la termodinámica no se limita a la tecnología; se utiliza en física, química, biología, astronomía, etc.
En 1824, Sadi Carnot, un ingeniero y científico francés, esbozó la esencia de la segunda ley en sus debates sobre la fuerza impulsora del fuego.
En los años 50 del siglo pasado, Clausius dio la formulación más general y moderna de la segunda ley de la termodinámica en la forma del siguiente postulado: “ El calor no puede pasar de un cuerpo frío a uno más cálido por sí solo mediante un proceso libre (sin compensación)" El postulado de Clausius debe considerarse como una ley experimental obtenida a partir de observaciones de la naturaleza circundante. La conclusión de Clausius se hizo en relación con el campo de la tecnología, pero resultó que la segunda ley en relación con los fenómenos físicos y químicos también es correcta. El postulado de Clausius, como todas las demás formulaciones de la segunda ley, expresa una de las leyes básicas, pero no absolutas, de la naturaleza, ya que fue formulada en relación con objetos que tienen dimensiones finales en las condiciones terrenales que nos rodean.
Simultáneamente con Clausius en 1851, Thomson propuso otra formulación de la segunda ley de la termodinámica, de la que se deduce que no todo el calor recibido de la transferencia de calor puede convertirse en trabajo, sino sólo una parte.
Parte del calor debe ir al disipador de calor.
Por lo tanto, para obtener trabajo es necesario disponer de una fuente de calor con alta temperatura, o disipador de calor y una fuente de calor de baja temperatura, o disipador de calor. Además, el postulado de Thomson muestra que no es posible construir una máquina de movimiento perpetuo que genere trabajo utilizando únicamente la energía interna de los mares, océanos y aire. Esta posición se puede formular como la segunda ley de la termodinámica: "La implementación de una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es imposible". Por máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo se entiende un motor que es capaz de convertir completamente en trabajo todo el calor recibido de una sola fuente.
Además de las expuestas, existen varias formulaciones más de la segunda ley de la termodinámica, que, en esencia, no aportan nada nuevo y, por tanto, no se dan.
Entropía.
La Segunda Ley de la Termodinámica, al igual que la Primera (Ley de Conservación de la Energía), fue establecida empíricamente. Clausius lo formuló por primera vez: “el calor se transfiere espontáneamente sólo de un cuerpo con una temperatura más alta a un cuerpo con una temperatura más baja y no puede transferirse espontáneamente en la dirección opuesta”.
Otra redacción: todo procesos espontaneos en la naturaleza aumentan entropía. (entropía- una medida de caos, desorden del sistema). Consideremos un sistema de dos cuerpos en contacto con diferentes temperaturas. Cálido pasará de un cuerpo con mayor temperatura a un cuerpo con menor, hasta igualar las temperaturas de ambos cuerpos. En este caso, será transferido de un organismo a otro. una cierta cantidad calor dq. Pero entropía en este caso, para el primer cuerpo disminuirá en una cantidad menor de lo que aumentará para el segundo cuerpo, lo que toma calor, ya que, por definición, dS=dQ/T (¡temperatura en el denominador!). Es decir, como resultado de esto entropía de proceso espontáneo Los sistemas de dos cuerpos serán mayores que la suma. entropías estos órganos antes de que comience el proceso. En otras palabras, proceso espontaneo La transferencia de calor de un cuerpo con una temperatura alta a un cuerpo con una temperatura más baja ha llevado al hecho de que entropía¡El sistema de estos dos cuerpos ha aumentado!
Las propiedades más importantes de la entropía de sistemas cerrados:
a) La entropía de un sistema cerrado que realiza un ciclo de Carnot reversible no cambia:
ΔS arr =0, S=const.
b) La entropía de un sistema cerrado que realiza un ciclo de Carnot irreversible aumenta:
ΔS bruto >0.
c) La entropía de un sistema cerrado no disminuye para ningún proceso que ocurra en él: ΔS≥0.
Con un cambio elemental en el estado de un sistema cerrado, la entropía no disminuye: dS≥0. El signo igual se refiere a procesos reversibles y el signo de desigualdad se refiere a procesos irreversibles. El punto c) es una de las formulaciones de la segunda ley (ley) de la termodinámica. Para un proceso arbitrario que ocurre en un sistema termodinámico, la siguiente relación es válida:
donde T es la temperatura del cuerpo que informa. Energía del sistema termodinámico δQ en el proceso de un cambio infinitesimal en el estado del sistema. Usando la primera ley de la termodinámica para δQ, la desigualdad anterior se puede reescribir en una forma que combine la primera y la segunda ley de la termodinámica: TdS ≥ dU+δA.
Propiedades de la entropía.
1. Entonces, la entropía es una función del estado. Si el proceso se lleva a cabo a lo largo de las adiabáticas, la entropía del sistema no cambia. Esto significa que los adiabáticos también son isentropos. Cada adiabática (isentropa) ubicada “superior” corresponde a valor más alto entropía. Esto se puede comprobar fácilmente realizando un proceso isotérmico entre los puntos 1 y 2, situados en diferentes adiabáticas (*ver figura). En este proceso T=const, por lo tanto S2-S1=Q/T. Para un gas ideal, Q es igual al trabajo A realizado por el sistema. Y como A>0, significa S 2 >S 1. Así, conocer cómo es el sistema adiabático. Podemos responder fácilmente a la pregunta sobre el aumento de entropía durante cualquier proceso entre los estados de equilibrio 1 y 2 que nos interesan. La entropía es una cantidad aditiva: la entropía de un macrosistema es igual a la suma de las entropías de sus partes individuales.
3. Uno de las propiedades más importantes La entropía radica en el hecho de que la entropía de un macrosistema cerrado (es decir, aislado térmicamente) no disminuye, sino que aumenta o permanece constante. Si el sistema no es cerrado, entonces su entropía puede aumentar o disminuir.
El principio de entropía creciente de sistemas cerrados es otra formulación de la segunda ley de la termodinámica. La magnitud del aumento de entropía en un macrosistema cerrado puede servir como medida de la irreversibilidad de los procesos que ocurren en el sistema. En el caso límite, cuando los procesos son reversibles, la entropía de un macrosistema cerrado no cambia.
La diferencia ΔS de entropía en dos estados del sistema tiene un significado físico. Para determinar el cambio de entropía en el caso de una transición irreversible de un sistema de un estado a otro, es necesario idear algún proceso reversible que conecte los estados inicial y final y encontrar el calor reducido que recibe el sistema durante dicho cambio. transición.
Arroz. 3.12.4 - Proceso irreversible de expansión del gas "al vacío" en ausencia de intercambio de calor
Sólo los estados inicial y final del gas en este proceso están en equilibrio y se pueden representar en el diagrama (p, V). Los puntos (a) y (b), correspondientes a estos estados, se encuentran en la misma isoterma. Para calcular el cambio de entropía ΔS, se puede considerar la transición isotérmica reversible de (a) a (b). Dado que durante la expansión isotérmica el gas recibe una cierta cantidad de calor de los cuerpos circundantes Q > 0, podemos concluir que con la expansión irreversible del gas la entropía ha aumentado: ΔS > 0.
Otro ejemplo de proceso irreversible es la transferencia de calor con una diferencia de temperatura finita. En la figura. La figura 3.12.5 muestra dos cuerpos encerrados en una capa adiabática. Temperaturas iniciales de los cuerpos T 1 y T 2.< T 1 . При теплообмене температуры тел постепенно выравниваются. Более теплое тело отдает некоторое количество теплоты, а более холодное – получает. Приведенное тепло, получаемое холодным телом, превосходит по модулю приведенное тепло, отдаваемое горячим телом. Отсюда следует, что изменение энтропии замкнутой системы в необратимом процессе теплообмена ΔS > 0.
El crecimiento de la entropía es propiedad común todos los procesos irreversibles que ocurren espontáneamente en sistemas termodinámicos aislados. Durante procesos reversibles en sistemas aislados, la entropía no cambia: ΔS≥0. Esta relación se denomina comúnmente ley de entropía creciente. Para cualquier proceso que ocurra en sistemas termodinámicos aislados, la entropía permanece sin cambios o aumenta.
Por tanto, la entropía indica la dirección de los procesos que ocurren espontáneamente. Un aumento de entropía indica que el sistema se acerca a un estado de equilibrio termodinámico. En equilibrio, la entropía toma valor máximo. La ley de la entropía creciente puede tomarse como otra formulación de la segunda ley de la termodinámica.
En 1878, L. Boltzmann dio una interpretación probabilística del concepto de entropía. Propuso considerar la entropía como una medida del desorden estadístico en un sistema termodinámico cerrado. Todos los procesos que ocurren espontáneamente en un sistema cerrado, que acercan el sistema a un estado de equilibrio y van acompañados de un aumento de la entropía, tienen como objetivo aumentar la probabilidad del estado.
Cualquier estado de un sistema macroscópico que contenga gran número Las partículas se pueden implementar de muchas maneras. La probabilidad termodinámica W del estado del sistema es el número de formas en que se puede realizar. este estado sistema macroscópico, o el número de microestados que implementan un macroestado determinado. Por definición, la probabilidad termodinámica es W >> 1.
Por ejemplo, si hay 1 mol de gas en un recipiente, entonces es posible una gran cantidad de N formas de colocar la molécula en dos mitades del recipiente: ¿dónde está el número de Avogadro? Cada uno de ellos es un microestado.
Sólo uno de los microestados corresponde al caso en el que todas las moléculas se recogen en la mitad (por ejemplo, la derecha) del recipiente. La probabilidad de que ocurra tal evento es prácticamente nula. El mayor número de microestados corresponde al estado de equilibrio, en el que las moléculas están distribuidas uniformemente por todo el volumen. Por tanto, el estado de equilibrio es el más probable. Por otro lado, el estado de equilibrio es el estado de mayor desorden en un sistema termodinámico y el estado de máxima entropía.
Según Boltzmann, la entropía S del sistema y la probabilidad termodinámica W están relacionadas de la siguiente manera: S=klnW, donde k = 1,38·10 –23 J/K es la constante de Boltzmann. Por tanto, la entropía está determinada por el logaritmo del número de microestados con la ayuda de los cuales se puede realizar un macroestado determinado. En consecuencia, la entropía puede considerarse como una medida de la probabilidad del estado de un sistema termodinámico. La interpretación probabilística de la segunda ley de la termodinámica permite la desviación espontánea del sistema del estado de equilibrio termodinámico. Estas desviaciones se denominan fluctuaciones. En sistemas que contienen una gran cantidad de partículas, es extremadamente improbable que se produzcan desviaciones significativas del estado de equilibrio.
Procesos o ciclos termodinámicos circulares.
En lo comentado anteriormente procesos termodinámicos estudiar las cuestiones de la obtención de trabajo como resultado del calor suministrado, o como resultado de un cambio en la energía interna del fluido de trabajo, o simultáneamente como resultado de ambos. Con una sola expansión de gas en un cilindro, sólo se puede obtener una cantidad limitada de trabajo. De hecho, durante cualquier proceso de gas renio en el cilindro, llegará un momento en el que la temperatura y la presión del fluido de trabajo se igualarán a la temperatura y la presión del medio ambiente, y en este punto se detendrá la producción de trabajo.
En consecuencia, para volver a obtener trabajo, es necesario devolver el fluido de trabajo a su estado original durante el proceso de compresión.
De la Figura 8 se deduce que si el fluido de trabajo se expande a lo largo de la curva 1-3-2, entonces produce el trabajo representado en el diagrama pv pl. 13245. Al llegar al punto 2, se debe devolver el fluido de trabajo a su estado inicial (al punto 1) para que pueda volver a producir trabajo. El proceso de devolver el cuerpo a su estado inicial se puede realizar de tres formas.
Figura 8 – Procesos circulares.
1. La curva de compresión 2-3-1 coincide con la curva de expansión 1-3-2. En tal proceso, todo el trabajo obtenido durante la expansión (pl. 13245) es igual al trabajo de compresión (pl. 23154) y el trabajo positivo es cero. La curva de compresión 2-6-1 se encuentra por encima de la línea de expansión 1-3-2; .al mismo tiempo, se gasta la compresión. más trabajo (pl. 51624) que el que se obtendrá durante la expansión (pl. 51324).
La curva de compresión 2-7-1 se encuentra debajo de la línea de expansión 1-3-2. En este proceso circular, el trabajo de expansión (pl. 51324) será mayor que el trabajo de compresión (pl. 51724). Como resultado, el trabajo positivo, representado por pl., se realizará externamente. 13271 dentro de una línea cerrada de un proceso circular o ciclo.
Repitiendo el ciclo un número ilimitado de veces, puedes obtener cualquier cantidad de trabajo utilizando el calor suministrado.
Un ciclo que resulta en trabajo positivo se llama Ciclo directo o ciclo de motor térmico.; en él el trabajo de expansión es mayor que el trabajo de compresión. Un ciclo que consume trabajo se llama contrarrestar, en él el trabajo de compresión es mayor que el trabajo de expansión. Las unidades de refrigeración funcionan mediante ciclos inversos.
Los ciclos son reversibles e irreversibles. Un ciclo que consta de procesos reversibles en equilibrio se llama reversible. El fluido de trabajo en dicho ciclo no debe sufrir cambios químicos.
Si al menos uno de los procesos incluidos en el ciclo es irreversible, entonces el ciclo completo será irreversible.
Los resultados de los estudios de ciclos ideales se pueden transferir a procesos reales e irreversibles de máquinas reales mediante la introducción de factores de corrección experimentales.
Eficiencia térmica y coeficiente frigorífico de los ciclos.
El estudio de cualquier ciclo reversible demuestra que para implementarlo es necesario en cada punto del proceso directo suministrar calor desde los transmisores de calor al fluido de trabajo con una diferencia de temperatura infinitesimal y eliminar calor del fluido de trabajo a los receptores de calor. también con una diferencia de temperatura infinitesimal. En este caso, la temperatura de dos fuentes de calor vecinas debería diferir infinitamente. pequeña cantidad, ya que de lo contrario, con una diferencia de temperatura finita, los procesos de transferencia de calor serán irreversibles: en consecuencia, para crear un motor térmico es necesario tener un infinito gran número Transmisores de calor, receptores de calor y fluido de trabajo.
En el recorrido 1-3-2 (Figura 8), el fluido de trabajo realiza un trabajo específico de expansión, numéricamente igual a pl. 513245, debido a la cantidad específica de calor que recibe de los emisores de calor, y en parte debido a su energía interna. En el camino 2-7-1 se gasta trabajo de compresión específico, numéricamente igual a pl. 427154, parte del cual, en forma de una cantidad específica de calor, se elimina a los receptores de calor y la otra parte se gasta en aumentar la energía interna del fluido de trabajo al estado inicial. Como resultado de la implementación ciclo directo Se entregará un trabajo específico positivo, igual a la diferencia entre el trabajo de expansión y el de compresión. Este trabajo.
La relación entre cantidades específicas de calor y trabajo específico positivo está determinada por la primera ley de la termodinámica.
ya que en un ciclo estado final cuerpo coincide con el inicial, entonces la energía interna del cuerpo de trabajo no cambia y por lo tanto
La relación entre la cantidad específica de calor convertida en trabajo específico positivo en un ciclo y la cantidad total de calor específico suministrada al fluido de trabajo se denomina t eficiencia térmica directa
ciclo:
El valor es un indicador de la perfección del ciclo del motor térmico. Cuanto más, más mayoría el calor suministrado se convierte en trabajo útil. Valor de eficiencia térmica El ciclo es siempre menor que uno y podría ser igual a uno si o, lo cual no se puede hacer.
La ecuación resultante (62) muestra que todo el calor suministrado al fluido de trabajo en el ciclo no se puede convertir completamente en trabajo sin eliminar una cierta cantidad de calor al receptor de calor.
Así, la idea principal de Carnot resultó ser correcta, a saber: en un proceso circular cerrado, el calor puede convertirse en trabajo mecánico sólo si existe una diferencia de temperatura entre los transmisores y receptores de calor. Cuanto mayor sea esta diferencia, mayor será la eficiencia. Ciclo del motor térmico.
Consideremos ahora el ciclo inverso, que se desarrolla en sentido contrario a las agujas del reloj y se representa en el diagrama pv pl. 13261. La expansión del fluido de trabajo en este ciclo se produce a una temperatura inferior a la de compresión, y se obtiene el trabajo de expansión (pl. 132451). menos trabajo compresión (lám. 162451). Un ciclo así sólo puede llevarse a cabo con el gasto de trabajo externo.
En el ciclo inverso, se suministra calor desde los receptores de calor al fluido de trabajo y se gasta un trabajo específico, que se convierte en una cantidad igual de calor, que en conjunto se transfiere a los emisores de calor:
Sin el gasto de trabajo mismo, tal transición es imposible.
Grado de perfección ciclo inverso determinado por el llamado coeficiente de rendimiento del ciclo.
El coeficiente de rendimiento muestra cuánto calor se elimina del disipador de calor cuando se gasta una unidad de trabajo. Su valor suele ser mayor que la unidad.
Ciclos de Carnot.
Ciclo de Carnot reversible directo
Ciclo reversible realizado entre dos fuentes de calor. temperatura constante, debe consistir en dos procesos isotérmicos reversibles y dos adiabáticos reversibles.
Este ciclo fue analizado por primera vez por Sadi Carnot en su obra “Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas capaces de desarrollar esta fuerza”, publicada en 1824. Para una mejor comprensión del procedimiento de implementación de este ciclo Imaginemos una máquina térmica cuyo cilindro puede ser, según sea necesario, absolutamente conductor de calor o absolutamente no conductor de calor. Deje que los parámetros iniciales del fluido de trabajo en la primera posición del pistón y la temperatura sean iguales a la temperatura del transmisor de calor. Si en este momento el cilindro es absolutamente conductor térmico y si se pone en contacto con un transmisor de calor de capacidad energética infinitamente grande, impartiendo calor al fluido de trabajo según la isoterma 1-2, entonces el gas se expandirá hasta el punto 2 y no trabajar. Parámetros del punto 2: A partir del punto 2 el cilindro debe ser absolutamente no conductor térmico. El fluido de trabajo con temperatura T 1, que se expande a lo largo de la adiabática 2-3 hasta la temperatura del disipador de calor T 2, funcionará. Parámetros del punto 3: . A partir del punto 3 hacemos que el cilindro sea absolutamente conductor térmico. Al comprimir el fluido de trabajo según la isoterma 3-4, simultáneamente eliminamos calor al receptor de calor. Al final de la compresión isotérmica, los parámetros del fluido de trabajo serán . Desde el punto 4 en un cilindro completamente no conductor de calor, el proceso de compresión adiabática 4-1 devuelve el fluido de trabajo a su estado original.
Así, durante todo el ciclo, se impartió calor al fluido de trabajo desde el transmisor de calor y se transfirió calor al receptor de calor.
Eficiencia térmica ciclo
El calor suministrado según la isoterma 1-2 se determina de la siguiente manera:
Encontramos el valor absoluto del calor eliminado usando la isoterma 3-4 de la siguiente manera:
Sustituyendo los valores encontrados y en la ecuación de eficiencia térmica, obtenemos
Para el proceso adiabático de expansión y compresión, respectivamente, tenemos
Y
Por lo tanto, la ecuación de eficiencia térmica El ciclo de Carnot después de la reducción toma la forma
Eficiencia térmica El ciclo de Carnot reversible depende únicamente de las temperaturas absolutas del transmisor de calor y del disipador de calor. Cuanto mayor sea la temperatura del disipador de calor y cuanto menor sea la temperatura del disipador de calor, mayor será. Eficiencia térmica el ciclo de Carnot es siempre menor que la unidad, ya que para obtener eficiencia, igual a uno, es necesario que T 2 =0 o T 1 = ∞, lo cual no es factible. Eficiencia térmica La duración del ciclo de Carnot no depende de la naturaleza del fluido de trabajo y en T 2 -T 1 es igual a cero, es decir, si los cuerpos están en equilibrio térmico, entonces es imposible convertir el calor en trabajo.
Eficiencia térmica El ciclo de Carnot tiene el mayor significado.
comparado con la eficiencia cualquier ciclo realizado en uno y
el mismo rango de temperatura. Por lo tanto comparación
eficiencia térmica cualquier ciclo y el ciclo de Carnot te permite hacer
una conclusión sobre el grado de perfección del uso del calor en una máquina que funciona en un ciclo determinado.
En motores reales, el ciclo de Carnot no se realiza por razones prácticas.
dificultades. Sin embargo, la importancia teórica y práctica del ciclo de Carnot es muy grande. Sirve como punto de referencia para evaluar la excelencia de cualquier ciclo de motor térmico. .
El ciclo reversible de Carnot, llevado a cabo en el rango de temperatura T 1 y T 2, se representa en el diagrama Ts mediante un rectángulo 1234 (Figura 9).
Figura 9 – Ciclo de Carnot reversible.
Ciclo de Carnot reversible inverso
El ciclo de Carnot puede avanzar no sólo hacia adelante, sino también hacia atrás. La Figura 10 muestra un ciclo de Carnot inverso. El ciclo consta de procesos reversibles y generalmente es reversible.
Figura 10 – Ciclo de Carnot inverso.
El fluido de trabajo desde el punto de partida 1 se expande a lo largo del adiabático 1-4 sin intercambio de calor con ambiente externo, mientras que la temperatura T 1 se le da a T 2. A esto le sigue una mayor expansión del gas a lo largo de la isoterma 4-3 con el suministro de calor, que se extrae de la fuente con una temperatura baja T2. A esto le sigue la compresión adiabática 3-2 con un aumento de temperatura de T 2 a T 1. Para último proceso Se produce una compresión isotérmica 2-1, durante la cual el calor se elimina al disipador de calor a alta temperatura.
Considerando el ciclo inverso en su conjunto, se puede observar que el trabajo de compresión externa gastado es mayor que el trabajo de expansión en la cantidad pl. 14321 dentro de una línea de circuito cerrado. Este trabajo se convierte en calor y se transfiere junto con el calor a la fuente con temperatura T 1. Así, habiendo realizado un trabajo específico en el ciclo inverso, es posible transferir desde el receptor de calor al disipador de calor.
unidades de calor. En este caso, el calor recibido por el receptor de calor es igual a
Una máquina que funciona en ciclo inverso se llama máquina de refrigeración. De la consideración del ciclo inverso de Carnot, podemos concluir que la transferencia de calor de una fuente de baja temperatura a una fuente de alta temperatura, como se desprende del postulado de Clausius, necesariamente requiere el gasto de energía (no se puede lograr como un proceso gratuito y sin compensación).
Una característica de la eficiencia de las máquinas de refrigeración es el coeficiente de rendimiento.
para el ciclo inverso de Carnot
(64)
El coeficiente de refrigeración del ciclo de Carnot inverso depende de las temperaturas absolutas y de las fuentes de calor y tiene Valor más alto en comparación con los coeficientes de rendimiento de otros ciclos que operan dentro del mismo rango de temperatura
Después de considerar los ciclos de Carnot directo e inverso, podemos explicar con cierto detalle la formulación de la segunda ley de la termodinámica dada por Clausius.
Clausius demostró que todos los procesos naturales que ocurren en la naturaleza son procesos espontáneos (a veces se les llama procesos positivos (o no compensados) y no pueden "por sí mismos" sin compensación por fluir en la dirección opuesta.
Los procesos espontáneos incluyen: la transferencia de calor de un cuerpo más calentado a uno menos calentado; conversión de trabajo en calor; difusión mutua de líquidos o gases; expansión del gas al espacio, etc.
Los procesos no espontáneos incluyen procesos opuestos a los procesos espontáneos anteriores: la transferencia de calor de un cuerpo menos calentado a uno más calentado; conversión de calor en trabajo; separación en componentes de sustancias difundidas entre sí, etc. Los procesos no espontáneos son posibles, pero nunca ocurren "por sí solos" sin compensación.
¿Qué procesos deben acompañar a los procesos no espontáneos para hacerlos posibles? Un estudio exhaustivo y completo de los fenómenos físicos que nos rodean ha demostrado que los procesos no espontáneos sólo son posibles cuando van acompañados de procesos espontáneos. En consecuencia, un proceso espontáneo puede ocurrir "por sí solo", no espontáneo, sólo junto con uno espontáneo. Por lo tanto, por ejemplo, en cualquier proceso circular directo, el proceso no espontáneo de convertir calor en trabajo se compensa con el proceso espontáneo simultáneo de transferir parte del calor suministrado desde el transmisor de calor al receptor de calor. .
Al implementar un ciclo inverso, también es posible un proceso no espontáneo de transferencia de calor de un cuerpo menos calentado a uno más calentado, pero aquí se compensa con el proceso espontáneo de convertir el trabajo gastado desde el exterior en calor.
Por tanto, cualquier proceso no espontáneo sólo puede ocurrir cuando va acompañado de un proceso espontáneo compensador.
teorema de carnot
Al generar eficiencia térmica Para el ciclo de Carnot reversible se utilizaron relaciones que eran válidas sólo para un gas ideal. Por tanto, para poder extender todo lo dicho sobre el ciclo de Carnot a gases y vapores reales, es necesario demostrar que la eficiencia térmica El ciclo de Carnot no depende de las propiedades de la sustancia con la que se realiza el ciclo. Éste es el contenido del teorema de Carnot.
Calor. Trabajo gastado
El mismo resultado se obtiene si asumimos que . Entonces solo queda uno opción posible, cuando , y esto significa que y , es decir, eficiencia verdaderamente térmica. El ciclo de Carnot reversible no depende de las propiedades del fluido de trabajo y es sólo una función de las temperaturas del transmisor de calor y del receptor de calor.
Conferencia No. 6. Tema y tareas de la teoría de la transferencia de calor.
Según la segunda ley de la termodinámica, el proceso espontáneo de transferencia de calor en el espacio se produce bajo la influencia de una diferencia de temperatura y tiene como objetivo disminuir la temperatura. Los patrones de transferencia de calor y las características cuantitativas de este proceso son objeto y tarea de la investigación teórica. intercambio de calor (transferencia de calor).
La doctrina de la transferencia de calor. Es el estudio de los procesos de propagación del calor. Su característica distintiva es su versatilidad, ya que son de gran importancia en casi todas las ramas de la tecnología.
Energía térmica Se transmite, como cualquier otra energía, en la dirección del potencial más alto al más bajo. Porque El potencial de la energía térmica es la temperatura., entonces el proceso de propagación del calor está estrechamente relacionado con la distribución de la temperatura, es decir, con el llamado campo de temperatura. Campo de temperatura es un conjunto de valores de temperatura en el espacio y el tiempo. En general, la temperatura t en cualquier punto del espacio es función de las coordenadas x, y, z y tiempo τ y por lo tanto la ecuación del campo de temperatura será
t = f(x, y, z, τ). (65)
Un campo en el que la temperatura cambia con el tiempo se llama inestable o no estacionario. Si la temperatura no cambia con el tiempo, entonces el campo se llama estado estacionario o estacionario, y su ecuación será
t = f(x,y,z).(66)
Mayoría caso sencillo El campo de temperatura es un campo unidimensional estacionario, cuya ecuación tiene la forma
t = f(x). (67)
La transferencia de calor que ocurre en condiciones de un campo de temperatura no estacionario se llama transferencia de calor en condiciones inestables, y en condiciones de campo estacionario transferencia de calor en estado estacionario.
El proceso de transferencia de calor es un proceso complejo que consta de tres tipos elementales de transferencia de calor: conductividad térmica, convección y radiación térmica (radiación) (Figura 12).
A - conductividad térmica; b – convección; a – radiación
Figura 12 – Tipos de transferencia de calor
