Transcript zmiana entropii

ENTROPIA I DRUGA ZASADA
TERMODYNAMIKI
Przemiany nieodwracalne
W układach zamkniętych:
- ogrzewanie rąk o gorący kubek
- ześlizgiwanie się ciał
- spadek ciał
- przedziurawiony balon z helem
Przemiany jednokierunkowe nazywamy nieodwracalnymi, co
oznacza, że nie można odwrócić ich kierunku za pomocą niewielkich
zmian w otoczeniu.
Przemiany zachodzące w przeciwnym „złym” kierunku nie łamią
zasady zachowania energii.
Widać, że to nie energia wyznacza kierunek procesów
nieodwracalnych przebiegających w układzie zamkniętym.
Decyduje o nim zmiana innej wielkości:
zmiana entropii S układu
Postulat entropii:
Przemiana nieodwracalna w układzie zamkniętym powoduje zawsze
wzrost entropii S układu – nigdy jej spadek.
Entropia różni się tym od energii, że nie ma zasady jej zachowania.
Energia układu zamkniętego jest zachowana – ZAWSZE pozostaje
stała.
W przemianach nieodwracalnych entropia układu zamkniętego
ZAWSZE rośnie.
Ze względu na tę własność zmianę entropii czasami nazywamy:
„STRZAŁKĄ CZASU”
Sposoby definiowania zmiany entropii układu:
1) W zależności od temperatury układu i energii, którą układ
absorbuje lub oddaje w postaci ciepła
2) Na drodze liczenia możliwych kombinacji ułożenia atomów lub
cząsteczek tworzących układ.
ZMIANA ENTROPII
Rozprężanie swobodne
ciśnienie
P
Parametry stanu:
- ciśnienie
- objętość
- temperatura
- energia
- entropia
K
objętość
Zmianę entropii układu S = Sk - Sp dla przemiany, która
przeprowadza układ ze stanu początkowego P do końcowego K,
definiujemy:
k
dQ
S  S k  S p  
T
p
Q – oznacza energię pobieraną lub oddawaną w postaci ciepła przez
układ w trakcie procesu
T – temperatura układu [K]
Ponieważ temperatura T jest zawsze dodatnia, zmiana entropii S
ma taki sam znak jak ciepło Q.
S [J/K]
Jeżeli entropia jest prawdziwą właściwością stanu, to różnica
pomiędzy stanami P i K zależy tylko od tych stanów, a nie zależy od
przemiany, która przeprowadziła układ od jednego stanu do
drugiego.
Aby podczas rozprężania
izotermicznego zachować stałą
temperaturę gazu, trzeba ze zbiornika
cieplnego do gazu dostarczyć energię
w postaci ciepła Q. Zatem Q ma
wartość dodatnią, a więc w wyniku
rozprężania izotermicznego i
rozprężania swobodnego (nie
wiadomo jak się zmienia Q oraz T)
entropia gazu rośnie.
ENTROPIA JAKO FUNKCJA STANU
Aby zapewnić odwracalność przemiany, przeprowadza się ją bardzo
wolno w wielu małych krokach, tak że gaz na końcu każdego z nich
jest w stanie równowagi termodynamicznej.
Ew  dQ  dW
dW  pdV
Ew  nCV dT
dQ  pdV  nCV dT
dQ  pdV  nCV dT
pV  nRT
nRT
p
V
dQ  pdV  nCV dT
/T
dQ
dV
dT
 nR
 nCV
T
V
T
dQ
dV
dT
 nR
 nCV
/
T
V
T
k
k
k
dQ
dV
dT

nR

nC
p T p V p V T
Vk
Tk
S  S k  S p  nR ln  nCV ln
Vp
Tp
Zmiana entropii S zależy tylko od właściwości stanu początkowego
(Vp oraz Tp) oraz od właściwości stanu końcowego (Vk oraz Tk).
Zmiana entropii S nie zależy od tego, jak zachodzi przemiana
między tymi stanami.
Q0
S  0
układ = gaz
Q0
S  0
?
Q0
S  0
układ = gaz + zbiornik
Q
OK
S  0
układ = gaz + zbiornik
Ciepło odpływa z gazu
do zbiornika
Ciepło dopływa z gazu
do zbiornika
S gaz  
Q
T
S zbiornik  
Q
T
S  S gaz  S zbiornik  0
II ZASADA TERMODYNAMIKI
Entropia układu zamkniętego wzrasta w przemianach
nieodwracalnych i nie maleje w przemianach odwracalnych.
ENTROPIA NIGDY NIE MALEJE
Lokalnie entropia może malec ale za to w pozostałych częściach
układu rośnie o tę samą wartość.
S  0
W rzeczywistym świecie wszystkie przemiany są w zasadzie
nieodwracalne ze względu na obecność tarcia, turbulencji itd.., a
więc entropia wszystkich rzeczywistych układów zamkniętych
rośnie.
Procesy, w których entropia układu zachowuje wartość stałą, zawsze
są wyidealizowane.
SILNIKI CIEPLNE – CYKL CARNOTA
W silniku idealnym wszystkie przebiegające procesy są odwracalne i
nie ma strat związanych z niepożądanymi przemianami energii
spowodowanymi tarciem lub turbulencjami.
SPRAWNOŚĆ SILNIKA
W
energia uzyskana


energia dost arczona QG


QG  QZ
QG
TG  TZ
TG
 1
 1
QZ
QG
TZ
TG
Sprawność silników niskoprężnych: ok. 20%
Sprawność silników Diesla: ok.35%
Sprawność silników parowych: teoretycznie ok. 32%
praktycznie << 32%
Sprawność silników elektrycznych: 75% - 95% (zależy od mocy
silnika: większa moc = większa sprawność)
Dr. Schlambaugh, wykładowca na wydziale chemicznym uniwersytetu kalifornijskiego znany jest z zadawania pytań
na egzaminach w rodzaju: "Czemu samoloty latają?".
W maju kilka lat temu, egzamin z termodynamiki zawierał takie oto pytanie: "Czy piekło jest egzotermiczne, czy
endotermiczne? Potwierdź swój wywód dowodem". Większość studentów oparła dowody na poparcie swych tez na
prawach przemian gazowych Boyle'a - Mariotte'a lub innych. Jeden student natomiast napisał, co poniżej:
"Po pierwsze musimy założyć, że jeżeli dusze istnieją, muszą posiadać pewna masę. Jeśli maja masę, to jeden mol dusz
także posiada masę. W takim razie, w jakim tempie dusze trafiają do piekła i w jakim je opuszczają? Myślę że
możemy spokojnie założyć, ze jeśli dusza trafia do piekła, to już go nie opuszcza. Dlatego też, wymiana dusz z piekłem
zachodzi tylko w jednym kierunku. Jeśli chodzi o dusze trafiające do piekła, przyjrzyjmy się rożnym religiom,
istniejącym w dzisiejszym świecie. Niektóre religie mówią, że jeśli nie jesteś ich wyznawca, trafisz do piekła. Skoro jest
więcej niż jedna taka religia, a ludzie nie należą do więcej niż jednej, możemy wnioskować, że wszyscy ludzie i
wszystkie dusze trafiają do piekła.
Na podstawie danych o śmiertelności i przyroście populacji, możemy spodziewać się wykładniczego wzrostu liczby
dusz w piekle.
Przyjrzyjmy się więc zmianie objętości piekła. Z prawa Boyle'a wynika, że aby w piekle temperatura i ciśnienie
utrzymały się na stałym poziomie, stosunek masy dusz do ich objętości musi być stały.
Pkt.1 Wiec, jeśli piekło rozszerza się wolniej niż dusze przybywają do piekła, wtedy temperatura będzie rosnąc, aż
wszystko rozerwie się w diabły.
Pkt.2 Oczywiście, jeśli piekło rozszerza się szybciej niż przyrasta liczba dusz, wtedy temperatura i ciśnienie spadną
tak drastycznie, że całe piekło zamarznie.
Wiec jak to jest? Jeśli zaakceptujemy postulat (podany mi przez Teresę Banyan na pierwszym roku), że "Prędzej
piekło zamarznie niż się z Tobą prześpię", i biorąc pod uwagę, że wciąż nie udało mi się nawiązać z nią bardziej
intymnych kontaktów, wtedy Pkt.2 nie może być poprawny - piekło jest egzotermiczne".
Ten student jako jedyny dostał piątkę.