Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik muss jeder in einem gegebenen System vorkommende Vorgang dem Prinzip der Energieerhaltung, einschließlich des Wärmeflusses, entsprechen.

Gleichung: Die Zunahme der Entropie minus Arbeit entspricht der Wärme

Mit anderen Worten: Jeder Prozess, dessen einziger Zweck es ist, Energie zu erzeugen oder zu zerstören, ist unmöglich, das heißt, er leugnet die Existenz eines Perpetuum Mobile der ersten Klasse.

Das erste Gesetz sagt uns jedoch nichts über die Richtung, in der ein Prozess in einem System stattfinden kann. Im Zusammenhang mit diesem Gesetz gibt es also keine Beschränkung, Energie von einer Form in eine andere zu transformieren. Zum Beispiel Hitze in der Arbeit oder umgekehrt. Die Umwandlung von Arbeit in Wärme ist ein Prozess, der praktisch ohne Einschränkung stattfinden kann: zum Beispiel durch Reibung zwischen zwei Oberflächen, durch den Durchgang von elektrischem Strom usw. Aber die Erfahrung lehrt uns, dass die erste Alternative nur unter sehr strengen Einschränkungen möglich ist.

Diese Einschränkung in der Richtung, in der ein Vorgang in der Natur vorkommen kann oder nicht, manifestiert sich in allen spontanen oder natürlichen Vorgängen. Tatsächlich beobachten wir immer, dass ein komprimiertes Gas dazu neigt, sich auszudehnen, dass Wärme von heißen Körpern zu kalten Körpern usw. fließt, aber wir beobachten nie, dass diese Prozesse spontan in der entgegengesetzten Richtung ablaufen. Durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der die Verallgemeinerung dieser Beobachtungen darstellt, können wir diese Phänomene verstehen.

 

Entropie im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik verlangt, dass die Gesamtentropie eines Systems im Allgemeinen nicht stärker abnimmt als durch die Erhöhung der Entropie eines anderen Systems. Daher neigt die Entropie dieses Systems in einem System, das von seiner Umgebung isoliert ist, nicht dazu, sich zu verringern. Daraus folgt, dass Wärme nicht von einem kälteren Körper zu einem wärmeren Körper fließen kann, ohne dass der kältere Körper Arbeit (die Auferlegung der Ordnung) anwendet.

Zweitens ist es für ein Gerät, das in einem Zyklus arbeitet, unmöglich, Vernetzung aus einem einzigen Temperaturreservoir zu erzeugen; Die Produktion von vernetzten Arbeiten erfordert Wärmefluss von einem wärmeren Tank zu einem kälteren Tank oder einem einzelnen expandierenden Tank, der einer adiabatischen Kühlung unterzogen wird, die adiabatische Arbeit leistet. Infolgedessen besteht keine Möglichkeit eines Perpetuum Mobile-Systems.

Daraus folgt, dass eine Verringerung des Entropieanstiegs in einem spezifischen Prozess, wie einer chemischen Reaktion, bedeutet, dass es energetisch effizienter ist.

Aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgt, dass die Entropie eines Systems, das nicht isoliert ist, abnehmen kann. Eine Klimaanlage zum Beispiel kann die Luft in einem Raum kühlen, wodurch die Entropie der Luft in diesem System reduziert wird. Die aus dem Raum (dem System) ausgestoßene Wärme, die die Klimaanlage transportiert und an die Außenluft abgibt, trägt immer mehr zur Entropie der Umwelt bei als die Abnahme der Entropie der Luft dieses Systems. Daher erhöht sich nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik die gesamte Entropie des Raumes und die Entropie der Umgebung.

 

Ein weiteres Beispiel ist in einer solarthermischen Wasserhygieneinstallation zu sehen. Wir definieren die Kreislaufflüssigkeit als System. In dem Moment, in dem die Flüssigkeit für den Solarkollektor stoppt und die Sonnenstrahlung empfängt, steigt ihre Wärmeenergie und damit auch ihre Entropie. Die Flüssigkeit zirkuliert weiter durch den Kreislauf, der durch die Heizkörper strömt, und sie kühlt ab. Wenn es gekühlt wird, reduziert es seine thermische Energie und daher seine Entropie.

In der Mechanik setzt das zweite Gesetz zusammen mit der grundlegenden thermodynamischen Beziehung der Fähigkeit eines Systems, nützliche Arbeit zu leisten, Grenzen. Die Entropieänderung eines Systems bei der Temperatur T, die eine infinitesimale Wärmemenge dQ reversibel absorbiert, ist durch dQ / T gegeben.

Die Anwendbarkeit eines zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist auf Systeme beschränkt, die nahe oder in einem Gleichgewichtszustand sind. Gleichzeitig sind die Gesetze, die Systeme beherrschen, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, immer noch umstritten. Eines der Leitprinzipien für solche Systeme ist das Prinzip der maximalen Entropieproduktion. Er stellt fest, dass sich unausgewogene Systeme so entwickeln, dass ihre Entropieproduktion maximiert wird.

Thermische Maschinen

Eine der wichtigsten Anwendungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik ist der Carnot-Zyklus, der dem Betrieb thermischer Maschinen zugrunde liegt, und zwar in der Formulierung, die am meisten mit der Entwicklung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zusammenhängt.

Definition thermischer Maschinen

Eine motorische oder thermische Maschine, deren Ziel es ist, kontinuierlich Arbeit nach außen zu liefern und die maximal mögliche absorbierte Wärme in Arbeit umzuwandeln, besteht aus einer Vorrichtung, durch die ein Kreislauf durch ein System in dem Sinne geführt wird, dass er während der Temperatur Wärme aufnimmt es ist hoch, ergibt bei geringerer Temperatur eine kleinere Menge und arbeitet außen netzartig.

Ein Beispiel dafür ist der Solarkollektor. Die thermische Energie aus Sonnenstrahlung, die auf dem Sonnenkollektor erhalten wird immer größer als die Energie, die schließlich das System (Strom, Wärme oder mechanische Energie) erhalten wird.

Wenn wir uns einen Zyklus vorstellen, der in der entgegengesetzten Richtung zu einem Motor durchgeführt wird, wird das Endergebnis die Absorption von Wärme bei einer niedrigen Temperatur, der Ausstoß einer größeren Menge bei einer höheren Temperatur und schließlich die Realisierung eines Nettobearbeitungsaufwandes sein das System. Dies ist das einfachste Konzept eines Kühlschranks, und in Wirklichkeit ist dies ein Gerät, das in diese Richtung wechselt und als Kühlschrank bezeichnet wird. Das System stellt ein Kältemittel dar.

Entwicklung und Effizienz thermischer Maschinen

Der französische Ingenieur N.Sadi Carnot (1796-1832) war der erste, der den Betrieb thermischer Maschinen in Betracht zog. Er veröffentlichte 1824 sein berühmtes Gedicht "Reflexionen über die motorische Kraft der Hitze und über die geeigneten Maschinen, um diese Kraft zu entwickeln", wo er sich der Frage widmete, wie mechanische Arbeit (Antriebskraft) aus produzierenden Quellen hergestellt werden kann Hitze.

Carnot fand heraus, dass der entscheidende Punkt in seiner Studie war zu erkennen, dass eine thermische Maschine eine Temperaturdifferenz benötigt, um zu funktionieren. Das heißt, wenn eine Maschine zwischen zwei Körpern arbeitet und Wärme von der heißesten abzieht, überträgt sie eine Wärmemenge auf den kältesten Körper, um den Temperaturen beider zu entsprechen, dh bis das thermische Gleichgewicht wiederhergestellt ist. Das ist das Carnot-Prinzip, aber Carnot hat niemals die Vermutung bewiesen, dass die Effizienz einer solchen Maschine nur von der Temperatur der Gefäße abhängt, zwischen denen sie operiert.In Bezug auf die Abhängigkeit der Maschinen von der Temperatur kommt Carnot auf den Gedanken, dass eine effiziente Wärmekraftmaschine so ausgelegt sein muss, dass während ihres Betriebs keine verschwenderischen Wärmeflüsse entstehen. Ich denke dabei an einen zyklischen Prozess, bei dem nur die Wärmequelle auftritt, aus der die Maschine zum Betrieb Wärme entzieht, und die kalte Quelle, der die nicht nutzbare Wärme zugeführt wird. Dieser Vorgang minimiert Wärmeverluste aufgrund von störenden Temperaturdifferenzen, und außerdem ist die innere Energie der Betriebssubstanz am Ende des Zyklus Uf = Ui die gleiche wie zu Beginn. Daher ist die im Zyklus durchgeführte Netzarbeit die Wärme, die vom heißen Körper absorbiert wird, abzüglich der Wärme, die dem kalten Körper zugeführt wird.

Das zweite wichtige Ergebnis, das sich aus Carnots Ideen ergibt, ist der Nachweis, dass keine Maschine, die zwischen zwei Körpern bei unterschiedlichen Temperaturen arbeitet, effizienter sein kann als die von ihm konzipierte Maschine, durch:

Carnots Theorem: "Keine thermische Maschine, die zyklisch zwischen zwei gegebenen thermischen Gefäßen arbeitet, hat eine Effizienz, die größer ist als die einer reversiblen Maschine (von Carnot), die zwischen den gleichen Gefäßen arbeitet"

Und weiter: "Alle reversiblen Maschinen (Carnot-Maschinen mit unterschiedlichen Betriebsstoffen), die zwischen zwei thermischen Behältern bei gegebenen Temperaturen arbeiten, haben die gleiche Effizienz."

Die Demonstration ist aufgrund von W. Thomson, (Lord Kelvin). Zusätzlich findet sich der Satz von Kelvin Planck: "Jede zyklische Transformation, deren einziges Endergebnis darin besteht, Wärme von einem Körper oder einer Wärmequelle bei einer bestimmten Temperatur zu absorbieren und vollständig in Arbeit umzuwandeln, ist unmöglich."

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Geändert am: 12. April 2018