SPONTANI PROCESI II ZAKON TERMODINAMIKE

Transcript

1 SPONANI PROCESI II ZAKON ERMODINAMIKE

2 I zakon termodinamike se bavi termodinamičkim procesom kao procesom koji je praćen ekvivalentnošću različitih oblika energije bez ikakvih ograničenja odnosno ne govori o izvodljivosti tog procesa: -ne kaže da li voda može spontano da teče naviše ili ne; ako voda teče naviše a nema dovođenja energije spolja, smanjuje se unutrašnja energija sistema i to za onaj deo koliki je izvršeni rad nasuprot sili gravitacije; sledi pad temperature vode; -ne kaže da li će ravnomerno zagrejan komad metal spontano postati topliji na jednom kraju a hladniji na drugom kraju već samo kaže da porast energije na jednom kraju mora biti ekvivalentan smanjenju na drugom kraju; -kaže da je dobijeni rad ekvivalentan apsorbovanoj toploti ali ne precizira uslove pod kojima je to moguće. II zakon termodinamike daje kriterijume za mogućnost odigravanja nekog procesa, odnosno verovatnoću odigravanja tog procesa. Bavi se konverzijom u rad apsorbovane toplote. Spontani procesi-procesi koji se odigravaju sami po sebi, bez intervencije spolja, odnosno za njihovo odvijanje nije potrebno utrošiti rad već odigravanje tog procesa proizvodi rad: -širenje gasa iz oblasti višeg u oblast nižeg pritiska -prelaz toplote sa toplijeg na hladnije telo -mešanje gasova odnosno difuzija gasa u neki drugi gas -prelazak rastvarača iz razblaženijeg u koncentrovaniji rastvor odnosno rastvorka iz koncentrovanijeg u razblaženiji. U svakom od ovih procesa menjaju se parametri stanja sve dok sistem ne dođe u stanje ravnoteže (konstantnost parametara stanja) Spontanost procesa je tendencija sistema da postigne stanje termodinamičke ravnoteže

3 Formulacije II zakona termodinamike: -Klauzijusova formulacija II zakona termodinamike: toplota sama po sebi (spontano) prelazi sa toplijeg na hladnije telo; -omsonova definicija II zakona termodinamike: toplota hladnijeg tela koje učestvuje u procesu ne može poslužiti kao izvor energije za vršenje rada; -nespontan proces ne može biti jedini proces u kružnom procesu. Uporedo sa nespontanim procesom mora se odigrati i spontani proces, koji predstavlja izvor energije za obavljanje nespontanog procesa; -sledi da je nemoguće konstruisati mašinu koja bi radeći kružno svu apsorbovanu toplotu pretvarala u rad, a da pri tom ni u samom sistemu ni u okružujućoj okolini ne dođe ni do kakvih promena. Kada bi ovu mašinu bilo moguće konstruisati ona bi predstavljala perpetuum mobile II vrste. Odnosno nije moguć nikakav kružni proces čiji bi jedini rezultat bio samo apsorpcija toplote iz rezervoara uz vršenje ekvivalentne količine rada. -da bi se toplota pretvorila u rad ona mora biti uzeta iz rezervoara više temperature, zatim se deo može pretvoriti u rad, a deo mora biti oslobođen na nižoj temperaturi u hladniji rezervoar.

4 Spontani procesi se u početno, neravnotežno stanje ne vraćaju spontano odnosno bez spoljne intervencije što znači da spontani procesi nisu termodinamički reverzibii što čini osnov II zakona termodinamike. o su znači nepovratni, ireversibii procesi jer se početno stanje sistema ne uspostavlja spontano. Npr. spontano se neće odigravati sledeći procesi: koncentrovanje gasa u jednom delu cilindra; izdvajanje čistih gasova iz smeše; stvaranje gradijenta temperature duž prethodno ravnomerno zagrejane metae šipke odnosno neće spontano doći do toga da jedan kraj postane topliji itd. Početno stanje se postiže utroškom nekog rada: -punjenje akumulatora električnom energijom -podizanje tereta na neku visinu -sabijanje gasa Pri odigravanju nespontanog procesa, sistem se udaljava od ravnotežnog stanja pa ravnoteža praktično predstavlja granicu između ove dve vrste procesa. Za ovakve procese se kaže da je verovatnoća njihovog odigravanja ekstremno mala.

5 Početno stanje se ostvaruje ako se posmatrani sistem dovede u kontakt sa okolinom (ili drugim sistemom) tako da nespontan proces u posmatranom sistemu postane deo složenog procesa čiji je jedan stupanj spontan. Npr.: -voda se može razložiti na vodonik i kiseonik uvođenjem elektroda u sistem iz spoljašnjeg izvora struje, koji će na račun spontanog procesa unutar samog izvora da izvrši rad potreban za razlaganje vode; -metaa šipka koja ima svuda istu temperaturu može se vratiti u početno stanje kada joj je jedan kraj bio topliji, ako se jedan njen kraj dovede u kontakt sa hladnijim telom, oduzme deo toplote i prevede u rad. Zatim se dobijeni rad iskoristi za pretvaranje u toplotu i zagrevanje drugog dela šipke. Kada se sistem vrati u početno stanje u okolini ili sistemu koji je intervenciju izvršilo dolazi do trajnih promena.

6 Da bi se iz nekog oblika energije dobio rad potrebno je da postoji razlika potencijala (npr. padanjem vode sa višeg na niži nivo vrši se rad zbog razlike potencijaih energija; za vršenje električnog rada mora postojati razlika električnih potencijala itd.). Pretvaranje toplote u mehanički rad ostvaruje se pomoću toplotne mašine (dva toplotna rezervoara na konstantnim ali različitim temperaturama-razlika u energetskim potencijalima, pa postoji mogućnost da se toplota transformiše u rad). telo koje daje toplotu (izvor) toliko veliko da mala količina toplote koju preda radnom telu ne menja njegovu temperaturu telo koje prima toplotu i vrši rad nad trećim telom telo koje prima toplotu-utok oplotna mašina

7 Sledi zaključak da se u jednom ciklusu samo deo apsorbovane toplote pretvara u koristan rad dok se drugi deo predaje hladnjaku (ili okolini) koji je na nižoj temperaturi u odnosu na radno telo. Izvršeni rad jednak je razlici primljene toplote i toplote predate hladnijem rezervoaru. ukupni rad apsorbovana toplota stepen iskorišćenja ili koeficijent korisnog dejstva radnog tela odnos količine toplote koja je iskorišćena za vršenje rada i primljene količine toplote odnosno deo apsorbovane toplote koja se može pretvoriti u rad

8 oplotnim mašinama i izračunavanjima u vezi njihovog rada bavio se Karno. On i definiše toplotnu mašinu kao sistem koji može razmenjivati sa okolinom energiju u obliku rada i toplote. Postavio je i teoremu koja glasi: -sve reverzibie toplotne mašine koje rade između dve iste temperature imaju istu efikasnost odnosno iskorišćenje ili drugim rečima efikasnost ne zavisi od prirode radne supstance niti od načina rada već samo od temperatura rezervoara. Posmatra se hipotetička toplotna mašina (zamišljen eksperiment): radno telo je mol ideaog gasa u cilindru sa klipom bez težine i trenja procesi se izvode beskonačno sporo odnosno reverzibio u ciklusu termodinamičku okolinu radnom telu čine dva velika toplotna rezervoara (termostata) na različitim temperaturama i sistem razmenjuje toplotu sa njima uslov je da je temperatura gasa u cilindru uvek za beskonačno malu vrednost manja od temperature izvora i za beskonačno malu vrednost veća od temperature utoka razmena toplote se ostvaruje okruživanjem cilindra dijatermičkim zidovima izolacija se ostvaruje okruživanjem adijabatskim zidovima sistem razmenjuje energiju sa okolinom u obliku rada (teg određene mase koji se diže kad se gas širi odnosno spušta kad se gas sabija) da bi se ovaj proces razmene energije u obliku rada izvodio reverzibio potrebno je da se gas širi ili sabija beskonačno sporo a to će biti kada je pritisak gasa uvek za beskonačno malu vrednost veći ili manji od okoline.

9 P- dijagram Karnoovog kružnog ciklusa Ciklus čine uzastopna procesa: dva izotermska procesa-širenje i sabijanje (razmena toplote sa okolinom) dva adijabatska procesa-širenje i sabijanje (nema razmene toplote sa okolinom)

10 Izotermsko širenje A-B na od do adijabatski zid pritisak gasa se održava stao većim od pritiska okoline pa se gas neprekidno širi U R R ; ; 0 0 cilindar doveden u termički kontakt sa termostatom čija je temperatura za d veća od temperature gasa mašina vrši rad-teg se diže ΔU=0 (izotermski proces) sistemu se energija za vršenje rada dovodi spolja ( )

11 Adijabatsko širenje B-C od do adijabatski zid 0 U C U 0 ( ); 0 pritisak se i dalje održava većim od okoline pa gas nastavlja da se širi ali adijabatski podiže se teg ali sada na račun unutrašnje energije (unutrašnja energija se smanjuje, gas se hladi od na )

12 Izotermsko sabijanje C-D od do temperatura rezervoara za d niža od temperature gasa u cilindru adijabatski zid U 0 R R ; R 0 ; 0 Pritisak je sada za beskonačno malu vrednost niži od pritiska okoline pa se gas reverzibio sabija. Daje toplotu okolini ( ) a temperatura gasa ostaje konstantna. Okolina vrši rad nad sistemom, teg se spušta, temperatura je konstantna jer toplota prelazi na hladnije telo.

13 Adijabatsko sabijanje D-A od na adijabatski zid adijabatski zid 0 U C U 0 ( ); 0 adijabatsko sabijanje od na na račun porasta unutrašnje energije pa temperatura gasa raste od do. Sistem je vraćen u početno stanje

14 ) ( ) ( C R C R i R R R ( i ) i ( i ) leže na istim adijabatama pa važi: γ = const. Ukupan rad je suma svih izvršenih i primljenih radova:

15 -koeficijent korisnog dejstva zavisi samo od temperature izvora i utoka -može se povećati povećanjem temperature ili smanjenjem temperature kada je η= odnosno pri kojim uslovima je moguće toplotu potpuno transformisati u rad? kada bi se maksimao snizila temperatura utoka tako da bude jednaka nuli što je nemoguće, odnosno na osnovu III zakona termodinamike nemoguće je dostići temperaturu apsolutne nule, ili kada bi se temperatura izvora maksimao (do beskonačnosti) povećala što je takođe nemoguće Npr. ako se radno telo nalazi između dva rezervoara sa temperaturama 0 o C i 0 o C η=5% što znači da ¼ termae energije ide u mehanički rad a ¾ kao gubitak na temperaturu utoka. Ako bi se radno telo nalazilo između 550 o C i 00 o C η=55%; između 00 o C i 00 o C η=56%. Iskorišćenje u praksi je nešto manje od terijski izračunatog zbog gubitka usled trenja.

16 Analizom Karnoovog ciklusa može se zaključiti sledeće:. Čak i u ideaoj mašini (bez trenja i drugih gubitaka) sva toplota se ne može pretvoriti u rad. Jedan njen deo uvek mora preći na hladnije telo (hladnjak).. Deo toplote koji se pretvara u rad zavisi od temperature hladnijeg i toplijeg tela, tj. η = f(, ). Drugim rečima, sve reversibie mašine koje rade između istih temperatura imaju istu efikasnost, što predstavlja Karnoovu teoremu. Koeficijent korisnog dejstva uvek je manji od jedinice (0 < η < ). Kada je η = 0 onda je = i ciklus ne postoji. Nulta tačka termodinamičke toplotne skale prema jednačini (η = ( - )/ ) definisana je kao temperatura hladnijeg rezervoara, za koji je efikasnost jedinica (η = ), odnosno, ona za koju toplotna mašina svu apsorbovanu toplotu pretvara u rad što je nemoguće postići.. ciklus razmenjena toplota na temperaturi 0 u Karnoovom ciklusu suma razmenjenih toplota jednaka je nuli. Nijedan drugi ciklus ne može da ima koeficijent korisnog dejstva veći od Karnoovog ciklusa, pa je Karnoov ciklus najefikasniji za transformaciju toplotne u druge vrste energije.

17 oplota razmenjena u reversibiom procesu veća je od toplote razmenjene u ireversibiom procesu ( rev > irev, pri istim temperaturama toplijeg i hladnijeg rezervoara). U ireversibiom procesu se deo izvršenog rada pretvara u toplotu, zbog čega je manji ukupni rad pa za ovaj proces važi nejednačina: η rev > η irev stepen iskorišćenja reverzibiih mašina je veći od stepena iskorišćenja ireverzibiih mašina