Principiul al doilea al termodinamicii

Principiul al doilea al termodinamicii precizează condițiile în care are loc transformarea energiei termice în energie mecanică. El are un caracter calitativ, arată sensul în care se produc spontan transformările, fără să se refere la cantitățile de energie schimbate. El este o particularizare a principiului general al schimburilor de energie, conform căruia transformările spontane de energie se realizează de la potențialul mai înalt spre potențialul mai scăzut.

Procese reversibile și ireversibile

Dacă principiul întâi al termodinamicii a fost un precursor al legii conservării energiei în domeniu proceselor termice, cel de al doilea principiu al termodinamicii a fost formulat ca o lege specifică proceselor termice. Cel de-al doilea principiu al termodinamicii reprezintă o generalizare a rezultatelor experimentale legate de funcționarea mașinilor termice.

Principiul întâi al termodinamicii pune în evidență echivalența cantitativă dintre căldură și lucru mecanic, însă el nu face nicio referire la direcția de desfășurare a proceselor termodinamice.

Se spune că un proces de trecere dintr-o stare inițială 1 într-o stare finală 2 este reversibil, dacă este posibilă revenirea în starea inițială 1 astfel încât la această stare a sistemului considerat și starea sistemelor înconjurătoare să fie identică cu starea lor inițială. Dacă la revenirea sistemului considerat în starea inițială 1, starea sistemelor înconjurătoare diferă de starea lor inițială, atunci procesul este ireversibil.

Ciclul Carnot

Articol principal: Ciclul Carnot.

Descoperirea principiului al doilea al termodinamicii a fost legată de îmbunătățirea mașinilor termice.

Ciclul Carnot a fost propus de inginerul francez Sadi Carnot în scopul îmbunătățirii randamentului motoarelor termice. Este un ciclu teoretic, alcătuit din două transformări adiabatice și doua transformări izoterme. Motorul imaginat de Carnot folosea drept agent termic gaz perfect ce suferea transformări cvasistatice.

$Q_{cedat} = Q_{primit} \,$

Temperatura termodinamică

Studiul ciclului Carnot permite, printre altele, definirea temperaturii termodinamice absolute. Dacă parcurgerea ciclului este reversibilă, din expresia randamentului ciclului Carnot reiese ca raportul Q_cedat /  Q_primit rămâne constant și independent de natura substanței de lucru, dacă mașina lucrează între aceleași temperaturi T și T₀.

Formularea principiului al doilea al termodinamicii.

Formularea lui Carnot

Studiind randamentul mașinilor termice ce funcționează după un ciclu format din două izoterme și două adiabate, Sadi Carnot a formulat următoarele teoreme:

• Teorema I. Randamentul unei mașini termice reversibile depinde numai de temperatura sursei calde și a sursei reci și nu depinde de natura substanței de lucru.
• Teorema II. Randamentul unei mașini termice ireversibile este întotdeauna mai mic decât randamentul unei mașini termice care funcționează reversibil între aceleași limite de temperatură.

Daca ambele mașini, atât cea reversibilă cât și cea ireversibilă primesc de la sursa caldă aceeași cantitate de caldura Q și cedează sursei reci cantitatea de căldură Q₀, respectiv Q₀', rezultă că randamentul mașinii reversibile va fi:

$\eta = \frac {Q - \left | Q_0 \right |}{Q} = \frac{T - T_0}{T} = 1 - \frac {T_0}{T}$

iar al mașinii ireversibile este:

$\eta '=\frac {Q - \left |Q_0 \,' \right |}{Q} < \frac {Q - \left | Q_0 \right |}{Q}$

Cele două teoreme ale lui Carnot pot fi scrise sub forma

$\frac {Q - \left |Q_0 \,' \right |}{Q} \le \frac{T - T_0}{T}$

Semnul egal se referă la ciclul reversibil iar semnul < la cel ireversibil.

Formularea lui W. Thomson (lord Kelvin)

Este imposibilă construirea unui perpetuum mobile de speța a doua (adică a unei mașini termice care ar transforma periodic, fără compensație căldura unui corp oarecare în lucru mecanic). Cu alte cuvinte este imposibil ca o mașină termică să funcționeze numai cu o singură sursă termică. Din principiul al doilea al termodinamicii rezultă că dacă lucrul mecanic se poate transforma integral în căldură, inversul nu este posibil. Din această cauză fenomenele naturale sunt ireversibile și decurg într-un singur sens. De această formulare este legat cunoscutul paradox al demonului lui Maxwell.

Formularea lui Clausius

Într-un proces arbitrar, căldura trece de la sine doar de la corpurile cu temperatură mai mare la corpurile cu temperatură mai mică. Cu alte cuvinte, fără cheltuială de lucru mecanic este imposibil să se treacă căldură de la un corp mai rece la un corp mai cald.

Formularea lui Caratheodory

În orice vecinătate a unei stări arbitrare a unui sistem termodinamic în stare de echilibru există stări care nu pot fi atinse prin procese adiabatice. Formularea lui Caratheodory sugerează existenta unei funcții de stare a cărei valoare este constantă pentru transformările adiabatice reversibile. Această funcție de stare se numește entropie empirică și este notată cu s. Entropia empirică se modifică în toate procesele care au loc cu schimb de caldură. Căldura infinitezimală schimbată de sistem poate fi scrisă sub forma:

$dQ = T\ ds$

Bibliografie

• Bunget, I., Burlacu, L., Ciobotaru, D. Compendiu de fizică, Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1988
• Nicolae Băran ș.a. - Termodinamică tehnică - Teorie și aplicații Vol.1, 1998
• Vlădea, I. Manual de termotehnică vol 1, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1962.
• Theil, H. Termotehnică și mașini termice, Litografia IPTVT, Timișoara, 1972
• Răduleț, R. și colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, București, 1957-1966.
• Colectiv Manualul inginerului termotehnician vol I, Editura Tehnică, București, 1955.

Vezi și

• Sistem termodinamic
• Transformare termodinamică
• Ciclu termodinamic
• Mașină termică
• Energie termică
• Căldură
• Principiul al doilea: Planck versus Carathéodory