Principiul al doilea al termodinamicii

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Jump to navigation Jump to search
Principiile termodinamicii
Principiul zero al termodinamicii
Stabilirea echilibrului termodinamic
Tranzitivitatea echilibrului termic
Principiul întâi al termodinamicii
Principiul al doilea al termodinamicii
Principiul al treilea al termodinamicii
modifică 

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.

Acest principiu a fost formulat în multe moduri. Prima formulare îi aparține lui Sadi Carnot, care în 1824 arăta că există o margine superioară a eficienței conversie căldurii în energie mecanică într-un motor termic, care implică folosirea unui ciclu termodinamic al unui fluid de lucru.

Procese reversibile și ireversibile[modificare | modificare sursă]

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.

Formulări pornind de la ciclul Carnot[modificare | modificare sursă]

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 ideal ce suferea transformări cvasistatice.

Ciclul Carnot a stat la baza enunțurilor clasice ale acestui principiu, menționate mai jos, ale lui Clausius, Kelvin, Planck, etc.

În anumite dispozitive cum ar fi pilele Karpen gazul electronic (din metalele electrozi) considerat ca agent de lucru în funcționarea motoarelor termice conform cerințelor principiului acestuia nu participă la procese ciclice biterme, în consecință restricția privind transformarea izotermă a căldurii în alte forme de energie folosind motoare termice nu se aplică la pilele Karpen.

Temperatura termodinamică[modificare | modificare sursă]

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

Formularea principiului al doilea al termodinamicii.[modificare | modificare sursă]

Formularea lui Carnot[modificare | modificare sursă]

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:

iar al mașinii ireversibile este:

Cele două teoreme ale lui Carnot pot fi scrise sub forma

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

Formularea lui W. Thomson (lord Kelvin)[modificare | modificare sursă]

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 (folosind o transformare izotermă). O transformare izotermă poate produce lucru mecanic absorbind căldură dar după destindere sistemul nu mai poate fi folosit pentru a efectua din nou lucru mecanic, pentru aceasta fiind necesară repetarea operației de destindere menționate anterior care nu se poate face fără readucerea sistemului la starea inițială printr-o comprimare izotermă care necesită un lucru mecanic de modul egal cu cel furnizat prin destindere, astfel per ansamblu lucrul mecanic e zero. Pentru readucerea sistemului la starea inițială cu un lucru mecanic mai mic trebuie un alt drum pentru întoarcere prin care se închide un ciclu [1].

Din principiul al doilea al termodinamicii rezultă că dacă lucrul mecanic se poate transforma integral în căldură, inversul nu este posibil. Acest aspect a fost legat de faptul că fenomenele naturale sunt ireversibile și decurg într-un singur sens. De această formulare este legat cunoscutul paradox al demonului lui Maxwell.

Formularea lui Ostwald[modificare | modificare sursă]

Formularea lui Clausius[modificare | modificare sursă]

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 Planck[modificare | modificare sursă]

Formularea lui Caratheodory[modificare | modificare sursă]

Matematicianul Constantin Caratheodory a intenționat, la sugestia lui Max Born, să dea acestui principiu o formulare mai generală, nelegată de funcționarea motoarelor termice.

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:

In plus entropia are proprietatea de adivititate.

Note[modificare | modificare sursă]

  1. ^ Niac, op. cit., p. 229

Bibliografie[modificare | modificare sursă]

Vezi și[modificare | modificare sursă]

Legături externe[modificare | modificare sursă]