2ème loi de la thermodynamique en termes simples. Deuxième loi de la thermodynamique

Ministère de l'Éducation et des Sciences de la Fédération de Russie

Établissement d'enseignement public d'enseignement professionnel supérieur

Université d'État de technologie chimique d'Ivanovo

Département de technologie alimentaire et de biotechnologie (TPPiBT)

Essai

dans la discipline "Thermodynamique technique et génie thermique"

II -ème loi de la thermodynamique ou « Mort thermique de l’Univers »

Complété:

étudiant en 3ème année

Ivlev Pavel Andreïevitch

Superviseur:

Candidat en sciences techniques, professeur agrégé, Département de P&AChT

Markichev Nikolaï Arkadévitch

Ivanovo 2010

Introduction________________________________________________________________________________ 3

Partie 1. Deuxième loi de la thermodynamique.

1.1. Deuxième loi de la thermodynamique. Caractéristiques et formulation._______________4

Partie 2. Entropie

2.1. Le concept d’entropie.__________________________________________________________________________5

2.2. Loi de l'entropie croissante. Dérivation de la loi de l'entropie croissante.______________5

2.3 Possibilité d'entropie dans l'Univers.________________________________________________6

Partie 3. Théorie de la « mort thermique » de l'Univers

3.1. L’émergence de l’idée de la Théorie de la « mort thermique » de l’Univers.________________________________8

3.2. Un regard sur la théorie de la « mort thermique » de l’Univers au XXe siècle.__________________9

3.3 « Avantages » et « Inconvénients » de la théorie de la « mort thermique » de l'Univers________________________________10

Conclusion________________________________________________________________16

Liste de la littérature utilisée dans le travail ___________________________________17

Introduction:

Ces travaux posent le problème du futur de notre Univers. À propos de l’avenir, qui est très lointain, à tel point qu’on ne sait pas s’il arrivera. La vie et le développement de la science modifient considérablement nos idées sur l’Univers, son évolution et les lois qui régissent cette évolution. En fait, l’existence de trous noirs a été prédite dès le XVIIIe siècle. Mais ce n’est que dans la seconde moitié du XXe siècle qu’ils ont commencé à être considérés comme des tombeaux gravitationnels d’étoiles massives et comme des endroits où une partie importante de la matière observable pourrait à jamais « tomber », sortant ainsi du cycle général. Et plus tard, on a appris que les trous noirs s'évaporent et restituent ainsi ce qu'ils ont absorbé, bien que sous une forme complètement différente. De nouvelles idées sont constamment exprimées par les cosmophysiciens. Ainsi, les peintures peintes assez récemment se révèlent soudainement dépassées.

L'une des questions les plus controversées depuis environ 100 ans est la question de la possibilité d'atteindre un état d'équilibre dans l'Univers, ce qui équivaut au concept de sa « mort thermique », dont la cause est la deuxième loi de la thermodynamique et les conclusions qui en découle.

Partie 1. Deuxième loi de la thermodynamique

Deuxième loi de la thermodynamique. Caractéristiques et formulation :

Les processus naturels visent toujours à ce que le système atteigne un état d'équilibre (mécanique, thermique ou autre). Ce phénomène se reflète dans la deuxième loi de la thermodynamique, qui revêt également une grande importance pour l'analyse du fonctionnement des processus thermiques et électriques.

La deuxième loi de la thermodynamique est un principe physique qui impose des restrictions sur la direction des processus de transfert de chaleur entre les corps. Il stipule que le transfert spontané de chaleur d’un corps moins chauffé vers un corps plus chauffé est impossible.

La deuxième loi de la thermodynamique interdit les machines dites à mouvement perpétuel du deuxième type, montrant l'impossibilité de convertir toute l'énergie interne du système en travail utile.

La deuxième loi de la thermodynamique est un postulat qui ne peut être prouvé dans le cadre de la thermodynamique. Il a été créé sur la base d'une généralisation de faits expérimentaux et a reçu de nombreuses confirmations expérimentales.

Il existe des formulations :

- le transfert de chaleur d'une source froide vers une source chaude est impossible sans le coût des travaux ;

- il est impossible de construire une machine fonctionnant périodiquement qui effectue un travail et, par conséquent, refroidit le réservoir thermique ;

- la nature s'efforce de passer d'états moins probables à des états plus probables.

Il convient de souligner que la deuxième loi de la thermodynamique (comme la première) est formulée sur la base de l'expérience. Dans sa forme la plus générale, la deuxième loi de la thermodynamique peut être formulée comme suit : tout véritable processus spontané est irréversible. Toutes les autres formulations de la deuxième loi sont des cas particuliers de la formulation la plus générale :

un processus dans lequel la chaleur se transférerait spontanément des corps plus froids aux corps plus chauds est impossible(postulat de Clausius, 1850).

W. Thomson (Lord Kelvin) proposa la formulation suivante en 1851 : Il est impossible, à l'aide d'un agent matériel inanimé, d'obtenir un travail mécanique à partir d'une masse de matière en la refroidissant en dessous de la température de l'objet environnant le plus froid.

M. Planck propose une formulation plus claire que celle de Thomson : Il est impossible de construire une machine fonctionnant périodiquement, dont l'ensemble du fonctionnement serait réduit à la notion d'une certaine charge et du refroidissement d'une source de chaleur.

Partie 2. Entropie

2.1 Le concept d'entropie.

L'écart entre la transformation de la chaleur en travail et le travail en chaleur conduit à une direction unilatérale des processus réels dans la nature, qui reflète la signification physique de la deuxième loi de la thermodynamique dans la loi sur l'existence et l'augmentation des processus réels d'un certaine fonction appelée entropie , définissant mesure de la dépréciation énergétique.

Souvent, la deuxième loi de la thermodynamique est présentée comme un principe unifié de l'existence et de l'augmentation de l'entropie.

Le principe de l'existence de l'entropie est formulé comme une expression mathématique de l'entropie des systèmes thermodynamiques dans des conditions de processus réversibles :

Le principe de l'augmentation de l'entropie revient à affirmer que l'entropie des systèmes isolés augmente invariablement avec tout changement de leur état et ne reste constante que lorsque les processus sont réversibles :

.

Les deux conclusions sur l'existence et l'augmentation de l'entropie sont obtenues sur la base d'un postulat qui reflète l'irréversibilité des processus réels dans la nature. Le plus souvent, les postulats de R. Clausius, W. Thompson-Kelvin, M. Planck sont utilisés pour prouver le principe combiné de l'existence et de l'augmentation de l'entropie.

2.2. Loi de l'entropie croissante. Dérivation de la loi de l'entropie croissante.

Appliquons l'inégalité de Clausius pour décrire le processus thermodynamique circulaire irréversible illustré à la figure 1.

Figure 1. Processus thermodynamique circulaire irréversible

Soit le processus 1-2 irréversible et le processus 2-1 réversible. Alors l’inégalité de Clausius dans ce cas prend la forme

Puisque le processus 2-1 est réversible, alors

La substitution de cette formule dans l'inégalité (1) permet d'obtenir l'expression

La comparaison des expressions (1) et (2) permet d'écrire l'inégalité suivante

dans lequel le signe égal apparaît si le processus 1-2 est réversible, et le signe est plus grand si le processus 1-2 est irréversible.

L'inégalité (3) peut aussi s'écrire sous forme différentielle

Si l'on considère un système thermodynamique adiabatiquement isolé pour lequel, alors l'expression (4) prendra la forme

ou sous forme intégrale

Les inégalités qui en résultent expriment la loi de l’entropie croissante, qui peut être formulée ainsi :

Dans un système thermodynamique adiabatiquement isolé, l'entropie ne peut pas diminuer : soit elle est préservée si seuls des processus réversibles se produisent dans le système, soit elle augmente si au moins un processus irréversible se produit dans le système.

La déclaration écrite est une autre formulation de la deuxième loi de la thermodynamique.

2.3 Possibilité d'entropie dans l'Univers

Dans un système thermodynamique adiabtiquement isolé, l'entropie ne peut pas diminuer : soit elle est préservée si seuls des processus réversibles se produisent dans le système, soit elle augmente si au moins un processus irréversible se produit dans le système.

La déclaration écrite est une autre formulation de la deuxième loi de la thermodynamique.

Ainsi, un système thermodynamique isolé tend vers la valeur d'entropie maximale à laquelle un état d'équilibre thermodynamique se produit.

Il convient de noter que si le système n’est pas isolé, alors une diminution de l’entropie est possible. Un exemple d'un tel système est, par exemple, un réfrigérateur ordinaire, à l'intérieur duquel une diminution de l'entropie est possible. Mais pour de tels systèmes ouverts, cette diminution locale de l'entropie est toujours compensée par une augmentation de l'entropie dans l'environnement, qui dépasse sa diminution locale.

La loi de l'entropie croissante est directement liée au paradoxe formulé en 1852 par Thomson (Lord Kelvin) et appelé par lui l'hypothèse de la mort thermique de l'Univers. Une analyse détaillée de cette hypothèse a été réalisée par Clausius, qui a jugé légitime d'étendre la loi de l'entropie croissante à l'ensemble de l'Univers. En effet, si l'on considère l'Univers comme un système thermodynamique adiabatiquement isolé, alors, compte tenu de son âge infini, basé sur la loi de l'entropie croissante, on peut conclure qu'il a atteint un maximum d'entropie, c'est-à-dire un état d'entropie thermodynamique. équilibre. Mais cela n’est pas observé dans l’Univers qui nous entoure.

Partie 3. La théorie de la « mort thermique » de l'Univers.

La mort thermique de l'Univers (T.S.V.) est la conclusion selon laquelle tous les types d'énergie dans l'Univers doivent finalement se transformer en énergie de mouvement thermique, qui sera uniformément répartie dans toute la matière de l'Univers, après quoi tous les processus macroscopiques y cesseront. .

Cette conclusion a été formulée par R. Clausius (1865) sur la base de la deuxième loi de la thermodynamique. Selon la deuxième loi, tout système physique qui n'échange pas d'énergie avec d'autres systèmes (pour l'Univers dans son ensemble, un tel échange est évidemment exclu) tend vers l'état d'équilibre le plus probable - ce qu'on appelle l'état d'entropie maximale. ..., « Analystes » (moi et II) et etc.; 3)... loi tante expulsée (A ou pas – A, c'est-à-dire ou Et vraiment, ou ... lunettes" ... thermique de la mort Univers. L’indestructibilité de la matière ne peut être comprise uniquement en termes quantitatifs. Lois ... lois Kepler, lois thermodynamique, lois ...

Concepts de physique

Résumé >> Physique

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La deuxième loi de la thermodynamique, comme la première, est un postulat étayé par des siècles d’expérience humaine. La découverte de cette loi a été facilitée par l'étude des moteurs thermiques. scientifique français S.Carnot fut le premier à montrer (1824) que toute machine thermique doit contenir, outre une source de chaleur (réchauffeur) et un fluide de travail (vapeur, gaz parfait, etc.) effectuant un cycle thermodynamique, également un réfrigérateur, qui doit avoir un température inférieure à la température du radiateur.

Efficacité η un tel moteur thermique fonctionnant selon un cycle réversible ( Cycle Carnot), ne dépend pas de la nature du fluide de travail effectuant ce cycle, mais est déterminé uniquement par les températures du réchauffeur T 1 et réfrigérateur T 2:

Où Q 1 – quantité de chaleur transmise au fluide de travail à température T 1 du radiateur ; Q 2 – quantité de chaleur dégagée par le fluide de travail à température T 2 réfrigérateurs.

La deuxième loi de la thermodynamique est une généralisation de la dérivation de Carnot aux processus thermodynamiques arbitraires se produisant dans la nature. Plusieurs formulations de cette loi sont connues.

Clausius(1850) formulé deuxième loi de la thermodynamique Donc: un processus dans lequel la chaleur se transférerait spontanément des corps plus froids aux corps plus chauds est impossible.

W. Thomson (Kelvin)(1851) proposent la formulation suivante : Il est impossible de construire une machine fonctionnant périodiquement, dont toute l'activité serait réduite à l'exécution de travaux mécaniques et au refroidissement correspondant du réservoir.

Le postulat de Thomson peut être formulé ainsi : une machine à mouvement perpétuel du second type est impossible. Une machine à mouvement perpétuel du deuxième type est un dispositif qui, sans compensation, convertirait périodiquement complètement la chaleur d'un corps en travail (W. Ostwald). Sous compensation comprendre le changement d'état du fluide de travail ou le transfert d'une partie de la chaleur du fluide de travail vers d'autres corps et le changement de l'état thermodynamique de ces corps au cours du processus circulaire de conversion de la chaleur en travail.

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que sans compensation dans un processus circulaire, pas un seul joule de chaleur ne peut être converti en travail. Le travail se transforme complètement en chaleur sans aucune compensation. Ce dernier est associé, comme indiqué précédemment, au processus spontané de dissipation d'énergie (dépréciation).

La deuxième loi de la thermodynamique introduit la fonction d'état du système, qui caractérise quantitativement le processus de dissipation d'énergie. En ce sens, les formulations ci-dessus de la deuxième loi de la thermodynamique sont équivalentes, puisqu'elles impliquent l'existence fonctions de l'état du système - entropie.

Actuellement deuxième loi de la thermodynamique est formulé ainsi : il existe une fonction additive de l'état du système S - entropie, qui est liée comme suit à la chaleur entrant dans le système et à la température du système:

Pour réversible processus ; (3.2)

Pour irréversible processus. (3.3)

Ainsi, lors de processus réversibles dans un système adiabatiquement isolé, son entropie ne change pas (DS = 0), et lors de processus irréversibles, il augmente (DS > 0).

Contrairement à l'énergie interne, la valeur de l'entropie d'un système isolé dépend de la nature des processus qui s'y déroulent : Lors de la relaxation, l'entropie d'un système isolé devrait augmenter, atteignant valeur maximale à l’équilibre.

En général deuxième loi de la thermodynamique pour un système isolé s'écrit ainsi :

L'entropie d'un système isolé soit augmente si des processus spontanés irréversibles s'y produisent, soit reste constante. Par conséquent, la deuxième loi de la thermodynamique est également définie comme loi de l'entropie non décroissante dans les systèmes isolés.

Ainsi la deuxième loi de la thermodynamique donne critère pour les processus spontanés dans un système isolé. Seuls des processus accompagnés d'une augmentation de l'entropie peuvent se produire spontanément dans un tel système. Les processus spontanés se terminent par l'établissement d'un équilibre dans le système. Cela signifie qu’en état d’équilibre, l’entropie d’un système isolé est maximale. Selon ce le critère d'équilibre dans un système isolé sera

Si vous participez au processus système non isolé, Que pour évaluer l'irréversibilité (spontanéité) du processus, il est nécessaire de connaître le changement d'entropie du système dS 1 et changement d'entropie de l'environnement dS 2. Si nous acceptons cela système et environnement(on les appelle souvent « l'univers ») former un système isolé, alors la condition d'irréversibilité du processus sera

c'est le processus sera irréversible si le changement total de l'entropie du système et de l'environnement est supérieur à zéro.

L’environnement est un immense réservoir ; son volume et sa température ne changent pas lors de l'échange thermique avec le système. Par conséquent, pour l’environnement, nous pouvons assimiler δQ = dU et peu importe que le transfert de chaleur se produise de manière réversible ou irréversible, puisque δQ arr, et δQà peu prés égal dU environnement. Ainsi, le changement d'entropie de l'environnement est toujours égal.

En physique, puisqu’il s’agit d’une science exacte, la plupart des dogmes sont prouvés empiriquement. C'est ainsi qu'est née la deuxième loi de la thermodynamique, qui est aujourd'hui étudiée dans toutes les écoles. Il parle de l’irréversibilité des processus thermiques. Il convient de noter qu’au début de l’étude, cette interprétation est beaucoup plus compréhensible.

Vues générales

Le principe physique qui limite les directions de divers processus dans les systèmes thermodynamiques est la deuxième loi de la thermodynamique. La définition de ce terme a été formée au XIXe siècle, d'abord par Rudolf Clausis puis par William Thomson (Lord Kelvin). Conformément à deux postulats, une sorte de machine à mouvement perpétuel du deuxième type ne peut exister dans le monde. Il n'existe pas et il n'y aura pas d'installation qui convertirait la chaleur émanant de toutes choses, êtres vivants et phénomènes en énergie pour son travail constant. Sur cette base, la règle a été dérivée selon laquelle l'efficacité ne peut pas être égale à l'unité. Vous pouvez comparer cela au fonctionnement d’un réfrigérateur, où la température, par exemple, sera égale au zéro absolu. Dans de telles conditions, l'échange thermique circulaire est exclu.

Formulation de Rudolf Clausis

Le premier à exprimer la deuxième loi de la thermodynamique fut R. Clausis, physicien pratique et mathématicien allemand. Selon lui, un processus circulaire dans lequel le résultat est obtenu en transférant la chaleur d'un corps moins chauffé à un corps plus chauffé est impossible. En d’autres termes, la température, en totalité ou en partie, peut passer librement d’un corps plus chaud à un corps plus froid, mais ce processus ne peut pas se produire dans la direction opposée. Cela nous démontre clairement l’absence de cyclicité, un cercle vicieux. De tels concepts sont inacceptables pour la thermodynamique. La chaleur est simplement échangée entre les corps et aucune énergie supplémentaire n’est produite à la suite de ces actions.

Postulat dérivé de Lord Kelvin

La deuxième loi de la thermodynamique a reçu une définition similaire dans les travaux de Thomson, physicien et mécanicien britannique. Théoriquement, cela ressemble à ceci : « Un processus cyclique dont le seul résultat pourrait être un travail obtenu en refroidissant un corps ou un réservoir chaud est impossible. » Pour mieux comprendre cette interprétation, imaginons une certaine machine (conformément au postulat thermodynamique, elle ne peut pas exister). Il refroidit périodiquement un réservoir d'eau constamment chaude, en recevant de l'énergie thermique. Grâce à cette énergie, la machine soulève diverses charges, comme une grue de chantier. En même temps, il ne dispose pas de moteur, de centrale électrique ou d'autres éléments mécaniques. Du point de vue de la physique empirique, cela est impossible.

Quel point commun ?

Voyons maintenant comment ces deux interprétations se combinent et sur quoi repose en principe la deuxième loi de la thermodynamique. L'entropie est la mesure même du chaos qui augmente au cours du processus d'échange thermique. C’est là l’élément de liaison pour la description de Clausis et Kelvin. Mais revenons un peu en arrière. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que lors de l'échange de chaleur, l'énergie diminue (il est donc impossible d'obtenir du travail), mais en même temps la mesure du chaos augmente. Ce processus est irréversible et est souvent qualifié de spontané. En thermodynamique, l’entropie augmente constamment, mais sa destruction est impossible. C’est pourquoi même 100 pour cent de l’énergie présente dans un corps ne peut pas être convertie en travail.

Quelle est la mesure du chaos ?

Le concept même d’entropie a été formulé pour la première fois par Clausis. Il a été utilisé pour déterminer la mesure du processus irréversible de dissipation d’énergie. C'était une sorte de différence entre l'écart entre le processus réel et le processus idéal. L'entropie dans les systèmes fermés, où tous les processus se produisent de manière cyclique, a une valeur constante. Si le processus est irréversible (ce qui concerne directement la thermodynamique), alors l'entropie a toujours une valeur positive. Il convient également de souligner que la mesure du chaos est générée par absolument tous les processus qui se produisent dans l'Univers. Avec un volume et une énergie constants de tout corps ou réservoir, l'entropie augmente constamment. Si ces indicateurs changent périodiquement, la mesure du chaos peut diminuer en raison du travail effectué, mais sa destruction complète est impossible. Il convient de noter que l’entropie de l’Univers ne diminue pas. Soit il reste normal, soit il augmente de manière irréversible.

Un bon exemple

La deuxième loi de la thermodynamique peut être expliquée à l’aide d’un exemple type souvent donné aux écoliers. Nous avons deux corps avec des températures différentes. Une substance plus chauffée cédera sa chaleur à une substance moins chauffée jusqu'à ce que leurs indicateurs de température soient égaux. Au cours de ce processus, l’entropie du premier corps, le plus chaud, diminuera dans une moindre mesure qu’elle n’augmentera dans le deuxième corps, plus froid. En conséquence, un tel processus spontané créera une entropie du système dont l'indice sera supérieur à la valeur totale des entropies des deux corps en position initiale. En d’autres termes, le degré de chaos dans un système de deux substances résultant de l’échange de chaleur a augmenté.

Mort thermique de l'univers

En menant ses investigations, Clausis est arrivé à la conclusion que peu importe à quel point l'espace nous semble ouvert (notre planète, ses territoires individuels, les plans d'eau, etc.), tout cela se trouve dans l'espace. L’Univers, quant à lui, est un immense espace clos au sein duquel se produisent des processus macroscopiques. Du fait que dans un système fermé, l'entropie augmente constamment son indicateur, notre monde se rapproche du point où la mesure du chaos atteindra bientôt une valeur infinie. Cela signifie que tous les processus s'arrêteront simplement du fait que l'énergie s'épuisera. Ce point critique, que nous atteindrons peut-être dans un avenir futur, est appelé mort thermique. Il s'avère que toutes nos actions (mouvement, marche, course), tous les phénomènes qui se produisent sur la planète (vent soufflant, tsunamis, mouvements des plaques lithosphériques) - tout cela provoque une augmentation irréversible de l'entropie et épuise l'énergie.

Réfutation de la théorie

L’homme ne peut toujours pas juger l’ensemble du cosmos. Nous ne voyons qu'une partie du monde dans lequel nous vivons et nous explorons ce coin, prouvant certaines lois et formant nos idées sur cette base. Par conséquent, la première réfutation de la possibilité d’une mort thermique, basée sur la deuxième loi de la thermodynamique, est que l’Univers n’est peut-être pas un système fermé. Il est certain que 85 % de l’espace est constitué d’antimatière dont les propriétés sont inconnues de tous. La deuxième réfutation est que notre cosmos, même fermé, est une fluctuation continue. En raison de diverses fluctuations et changements dans les indicateurs de taille, de masse, d'énergie et de température, l'entropie n'augmente pas (dans la valeur totale universelle) et ne diminue pas. Par conséquent, nous sommes déjà dans un état d’équilibre thermodynamique ou, selon les mots de Clausis, dans un état de mort thermique.

Résumons-le

La deuxième loi de la thermodynamique est inextricablement liée au développement des sciences exactes. Il a été découvert à l'aube du progrès scientifique et technologique et est devenu, pourrait-on dire, le point de départ de travaux ultérieurs de scientifiques dans les domaines des mathématiques, de la physique et de l'astronomie. Il convient de noter que nous imaginons tout cela uniquement dans des conditions terrestres. Il est probable que dans un autre environnement, où les champs gravitationnels ont des intensités différentes, la thermodynamique fonctionnera selon un schéma complètement différent.

Chimie physique : notes de cours Berezovchuk A V

5. Processus. Deuxième loi de la thermodynamique

La deuxième loi de la thermodynamique, contrairement à la première loi de la thermodynamique, étudie tous les processus qui se produisent dans la nature, et ces processus peuvent être classés comme suit.

Il existe des processus spontané, non spontané, équilibre, hors équilibre.

Les processus spontanés sont divisés en réversible Et irréversible. La deuxième loi de la thermodynamique est appelée loi de direction d'un processus dans un système isolé (loi de croissance S). Le mot « entropie » a été créé en 1865. R. Y. E. Clausius – « trope » du grec signifie transformation. En 1909, le professeur P.Auerbach appelée la reine de toutes les fonctions énergie interne, UN S – ombre cette reine. Entropie– une mesure du désordre du système.

Processus réversibles et irréversibles

Processus irréversibles se produisent sans le coût du travail, se produisent spontanément dans une seule direction, ce sont des changements d'état dans un système isolé lorsque, lorsque les processus sont inversés, les propriétés du système tout entier changent. Ceux-ci inclus:

1) conductivité thermique à une différence de température finie ;

2) expansion du gaz à une différence de pression finie ;

3) diffusion à une différence de concentration finie.

Processus réversibles dans un système isolé, on appelle des processus qui peuvent être inversés sans aucune modification des propriétés de ce système.

Réversible: processus mécaniques dans un système où il n'y a pas de frottement (fluide idéal, son mouvement, oscillations non amorties d'un pendule dans le vide, oscillations électromagnétiques non amorties et propagation d'ondes électromagnétiques là où il n'y a pas d'absorption), qui peuvent revenir à l'état initial.

Spontané- des processus qui se déroulent tout seuls, aucun travail n'y est consacré, ils peuvent eux-mêmes le produire (le mouvement des pierres dans les montagnes, Na se déplace à grande vitesse le long de la surface, au fur et à mesure que l'hydrogène est libéré, vérifiez.).

Non spontané

L'équilibre est divisé en stable, instable Et indifférent.

1. Postulat de Clausius : il ne peut y avoir de transfert de chaleur d'un corps moins chauffé à un corps plus chauffé.

2. Postulat de Thomson : la chaleur du corps le plus froid ne peut pas servir de source de travail.

Théorème de Carnot-Clausius : toutes les machines réversibles effectuant un cycle Carnot utilisant le même réchauffeur et le même réfrigérateur ont le même rendement, quel que soit le type de fluide de travail.

Q1/T1 –

Q2 / T2 –

Q1 /T1 = Q2 /T2 –

C'est la quatrième équation de la deuxième loi de la thermodynamique. Si le processus est fermé, alors

Dans un processus irréversible :

Il s'agit de la sixième équation de la deuxième loi de la thermodynamique, ou équation de Clausius, pour un processus réversible elle est égale à zéro, pour un processus irréversible elle est inférieure à 0, mais parfois elle peut être supérieure à 0.

S.

S = k dans W.

L’action inverse du logarithme est potentialisation:

La première loi de la thermodynamique est déterminée par la constance de la fonction U dans un système isolé. Trouvons une fonction qui exprime le contenu de la deuxième loi, à savoir le sens unidirectionnel des processus se produisant dans un système isolé. Le changement dans la fonction souhaitée doit avoir le même signe pour tous les processus réels, c'est-à-dire irréversibles, se produisant dans des systèmes isolés. La deuxième loi de la thermodynamique, appliquée aux processus irréversibles non circulaires, doit s'exprimer par l'inégalité. Souvenons-nous du Cycle de Carnot. Puisque tout cycle peut être remplacé par un nombre infiniment grand de cycles de Carnot infinitésimaux, l'expression :

valable pour tout cycle réversible. Comptage à chaque section élémentaire d'échange thermique T= const, on trouve que :

et pour tout le cycle

Énergie de Helmholtz Potentiel isochore-isotherme

F = U – TS

Ordre de grandeur ( V-TS) est une propriété du système ; on l'appelle Énergie de Helmholtz. A été présenté Helmholtz en 1882

dF = dU – TdS – SdT,

U = F + TS,

dF = TdS – pdV – SdT,

F - différentiel complet.

Une augmentation de volume conduit au fait que le potentiel isochore-isotherme diminue (ce « moins » qui se tient devant R). Une augmentation de la température entraîne F diminue.

?UNéquivaut à > ?UN inégal

Q =?U+A,

UNE = Q –?Toi,

UNE = T(S 2 – S 1) – (U 2 – U 1),

A = F1 – F2 = –?F,

UNéquivaut à = – ?F -

signification physique du potentiel isochore-isotherme.

La perte de potentiel isochore-isotherme est égale au travail maximum effectué par le système dans ce processus ; F - critère pour la direction d'un processus spontané dans système isolé. Pour un processus spontané : AF Tg< 0.

Pour une démarche non spontanée : ? F T, V> 0. Pour un processus d'équilibre : ? F T, V= 0.

?FV,T? 0.

Le potentiel isochore-isotherme dans les processus spontanés diminue et, lorsqu'il atteint sa valeur minimale, un état d'équilibre se produit (Fig. 4).

Riz. 4

2 – processus non spontané ;

3 – processus d’équilibre.

Potentiel isobare-isotherme.

1) G (P, T= const), énergie de Gibbs

G = U – TS + PV = H – TS = F + PV,

?Q = dU – Pdv + A?,

?UN? = Q – dU – pdv,

?UN? maximum = T(S 2 – S 1) – (U 2 – U 1) – p(V 2 – V 1),

?UN? maximum = (U 1 – TS 1 + PV 1) – (U 2 – TS 2 + PV 2) = G 1 – G 2 = –?G,

U – TS + pV = G,

UN? maximum = – ?G.

Le travail du processus isobare-isotherme est égal à la diminution du potentiel isobare-isotherme - la signification physique de cette fonction ;

2) la fonction est différentielle complète, sans ambiguïté, finie, continue.

G = U – TS + pV,

dG = dU – TdS – SdT + pdv + vdp,

dG = TdS – pdV – TdS – SdT + pdv + vdp,

dG = –SdT + Vdp,

Une augmentation de la température conduit au fait que le potentiel isobare-isotherme diminue, car avant S il y a un signe moins. Une augmentation de la pression conduit au fait que le potentiel isobare-isotherme augmente, car avant V il y a un signe plus ;

3) g comme critère de direction d'un processus dans un système isolé.

Pour un processus spontané : (? g)P,T< 0. Для несамопроизвольного процесса: (?g)P,T> 0. Pour un processus d'équilibre : (?G)P,T = 0

?G (P, T) ? 0.

Le potentiel isobare-isotherme dans les processus spontanés diminue et lorsqu'il atteint son minimum, un état d'équilibre se produit.

Riz. 5

où 1 est un processus spontané ;

2 – processus d'équilibre ;

3 – processus non spontané.

Les travaux sont-ils effectués à frais ? U Et? H.

Facteurs antagonistes. Le facteur enthalpie caractérise la force d'attraction des molécules. Le facteur d'entropie caractérise la tendance à séparer les molécules.

Enthalpie – NÉnergie interne - U.

H = U + PV,

dH = dU + pdv + vdp,

U = TS – PV,

dU = TdS – SdT + pdV + Vdp,

dH = –pdV + pdV + Vdp ; U = TdS + VdP.

Riz. 6

où 1 est un processus spontané,

2 – processus non spontané,

3 – processus d’équilibre,

(dH)P,T ? 0,

(poussière ? 0.

Équations de Gibbs – Helmholtz — équations de travail maximum.

Ils nous permettent d'établir un lien entre le travail maximum d'un processus à l'équilibre et la chaleur d'un processus hors équilibre.

Équation de Helmholtz (équation reliant les fonctions F Et g

Équation de Gibbs (équation relative aux fonctions F Et g avec leurs dérivées de température).

Équation de Clausius-Clapeyron

Cela nous permet d’appliquer la deuxième loi de la thermodynamique aux transitions de phase. Si nous calculons des processus dans lesquels seul un travail d'expansion est effectué, alors la variation de l'énergie interne

U 2 – U 1 = T(S 2 – S 1) – P(V 2 – V 1),

(U 1 – TS 1 + PV 1) = (U 2 – TS 2 + PV 2),

G1 = G2 – dans des conditions d’équilibre.

Supposons qu'1 mole d'une substance passe de la première phase à la seconde.

La phase I => dG 1 = V 1 dp – S 1 dT.

Phase II => dG 2 = V 2 dp – S 2 dT,à l'équilibre dG2 – dG1 = 0

dG 2 – dG 1 = dp(V 2 – V 1) – dT(S 2 – S1) –

il n'y a pas d'équilibre conditionnel,

Où dP/dT – coefficient de température de pression,

Où ? fp – chaleur de transition de phase.

Équation de Clausius-Clapeyron, forme différentielle de l'équation.

L'équation établit la relation entre la chaleur de transition de phase, la pression, la température et le changement de volume molaire.

forme empirique de l'équation de Clausius-Clapeyron.

Riz. 7

Riz. 8

L'équation de Clausius-Clapeyron étudie les transitions de phase. Les transitions de phase peuvent être du premier ordre et du deuxième ordre.

Type I - caractérisé par l'égalité des potentiels isobares et des changements brusques S Et V.

Type II – caractérisé par l'égalité des potentiels isobares, l'égalité des entropies et l'égalité des volumes molaires.

Je suis gentil – ? g= 0, ?S? 0, ?V? 0.

II genre – ? g= 0, ?S= 0, ?V= 0.

La somme algébrique des chaleurs réduites pour tout processus circulaire réversible est égale à zéro.

Cet intégré est le différentiel de la fonction d'état unique. Cette nouvelle fonctionnalité a été introduite Clausius en 1865 et appelé entropie - S(du grec « transformation »).

Tout système dans un état différent a une valeur d'entropie complètement définie et unique, tout comme une valeur définie et unique P, V, T et d'autres propriétés.

Ainsi, l'entropie est exprimée par l'équation :

Où S- est une fonction d'état dont le changement dSв processus isotherme réversible de transfert de chaleur en quantité Qégale à la chaleur réduite du processus.

Avec variables indépendantes U(énergie interne) peut être notée U VN et V(volume), ou R.(pression) et N(enthalpie). L'entropie est une fonction caractéristique. Les fonctions caractéristiques sont des fonctions de l'état d'un système dont chacune, en utilisant ses dérivées, permet d'exprimer sous une forme explicite d'autres propriétés thermodynamiques du système. Rappelons qu'en thermodynamique chimique il y en a cinq :

1) potentiel isobare-isotherme (énergie de Gibbs) avec variables indépendantes T, R et le nombre de taupes de chaque composant Et.;

2) potentiel isochore-isotherme (énergie de Helmholtz) avec variables indépendantes T, V, n je;

3) énergie interne avec variables indépendantes : S, V, n je;

4) enthalpie avec variables indépendantes : S, P, n je;

5) entropie avec variables indépendantes N, P, n je. .

Dans les systèmes isolés (U Et V= const) lors de processus irréversibles, l'entropie du système augmente, dS > 0 ; avec réversible – ne change pas, dS = 0.

Relation entre l'entropie et d'autres paramètres thermodynamiques

Afin de résoudre un problème spécifique lié à l’utilisation de l’entropie, il est nécessaire d’établir la relation entre celle-ci et d’autres paramètres thermodynamiques. L'équation dS =?Q/T en combinaison avec? Q = dU + PdV Et? Q = dH – VdP donne les équations :

dU = TdS – PdV,

dH = TdS + VdP.

En écrivant l'équation :

en relation avec la dépendance fonctionnelle ?(T, V, S) = 0, on obtient

Trouvons maintenant la dépendance de l’entropie à la température à partir des équations :

Voici les dépendances :

Ces deux équations sont pratiquement les cas particuliers les plus importants de la relation générale :

TdS = CdT.

En utilisant différentes dépendances, il est possible de dériver d'autres équations concernant les paramètres thermodynamiques.

Spontané- des processus qui se déroulent tout seuls, aucun travail n'y est consacré, ils peuvent le produire eux-mêmes (le mouvement des pierres dans les montagnes, le sodium se déplace à grande vitesse le long de la surface lorsque l'hydrogène est libéré), et le potassium « saute » littéralement à travers l'eau.

Non spontané– des processus qui ne peuvent pas se dérouler seuls ; du travail est consacré à eux.

L'équilibre est divisé en stable, instable et indifférent.

Postulats de la deuxième loi de la thermodynamique.

1. Le postulat de Clausius – « Il ne peut y avoir de transfert de chaleur d’un corps moins chauffé à un corps plus chauffé. »

2. Postulat de Thomson - "La chaleur du corps le plus froid ne peut pas servir de source de travail."

Théorème de Carnot-Clausius :"Toutes les machines réversibles effectuant un cycle Carnot utilisant le même chauffage et le même réfrigérateur ont le même rendement, quel que soit le type de fluide de travail."

Expressions analytiques de la deuxième loi de la thermodynamique.

1. Équation classique de la deuxième loi de la thermodynamique

Où Q/T – chaleur réduite;

Q1/T1 – chauffage à chaleur réduite ;

Q2 / T2 – chaleur réduite du réfrigérateur;

Q1 / T1 = Q2 / T2 –égalité des chaleurs réduites du radiateur et du réfrigérateur. C'est la deuxième équation de la thermodynamique.

Si l'on divise les adiabatiques en plusieurs cycles de Carnot, on obtient

Il s'agit de la troisième équation de la deuxième loi de la thermodynamique pour le cycle de Carnot infinitésimal.

Si le processus est fini, alors

C'est la quatrième équation de la deuxième loi de la thermodynamique

Si le processus est fermé, alors

Il s'agit de la cinquième équation de la deuxième loi de la thermodynamique pour un processus réversible.

L'intégrale sur une boucle fermée est l'intégrale de Clausius.

Dans un processus irréversible :

La sixième équation de la deuxième loi de la thermodynamique, ou équation de Clausius, est égale à zéro pour un processus réversible ; pour un processus irréversible, elle est inférieure à 0, mais parfois elle peut être supérieure à 0.

Il s'agit de la septième équation de la deuxième loi de la thermodynamique. La deuxième loi de la thermodynamique - la loi de la croissance S.

S = k dans W.

S = k dans W –

c'est la formule de Boltzmann,

Où S- entropie – le degré de désordre du système ;

k– constante de Boltzmann ;

W – probabilité thermodynamique d'un système de macroétats.

Probabilité thermodynamique– le nombre de microétats d'un système donné à l'aide desquels un macroétat donné du système peut être réalisé (P, T, V).

Si W= 1, alors S= 0, à température zéro absolue –273°С tous les types de mouvements s'arrêtent.

Probabilité thermodynamique est le nombre de façons dont les atomes et les molécules peuvent être distribués dans un volume.

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25. Deuxième loi de la thermodynamique. Entropie Il existe plusieurs formulations de la deuxième loi de la thermodynamique : la chaleur ne peut pas, par elle-même, passer d'un corps ayant une température plus basse à un corps ayant une température plus élevée (formulation de Clausius), ou une machine à mouvement perpétuel est impossible.

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3. La première loi de la thermodynamique. Coefficients caloriques. Relation entre les fonctions CP et Cv Énoncés de la première loi de la thermodynamique.1. L'approvisionnement total en énergie dans un système isolé reste constant.2. Différentes formes d'énergie se transforment les unes dans les autres de manière strictement équivalente

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2. Processus avec électrodes Les processus avec électrodes sont des processus associés au transfert de charges à travers la frontière entre l'électrode et la solution. Les processus cathodiques sont associés à la réduction de molécules ou d'ions du réactif ; les processus anodiques sont associés à l'oxydation du réactif et à

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IX. LA MÉCANIQUE EN RUSSIE DANS LA DEUXIÈME MOITIÉ DU XIX-DÉBUT DU XX



La première loi de la thermodynamique est la loi de conservation de l'énergie appliquée aux processus thermodynamiques : l'énergie ne disparaît nulle part et ne surgit pas de rien, mais passe seulement d'un type à l'autre en quantités équivalentes. Un exemple serait le transfert de chaleur (l'énérgie thermique) en énergie mécanique, et vice versa.

Si une certaine quantité de chaleur dQ est ajoutée à M kg de gaz occupant un volume V (m 3) à une température T à pression constante, alors la température du gaz augmentera de dT et le volume de dV. Une augmentation de la température est associée à une augmentation de l'énergie cinétique du mouvement moléculaire dK.
Une augmentation de volume s'accompagne d'une augmentation de la distance entre les molécules et, par conséquent, d'une diminution de l'énergie potentielle dH d'interaction entre elles. De plus, en augmentant son volume, le gaz travaille dA pour vaincre les forces extérieures.
Si, outre ceux indiqués, aucun autre processus ne se produit dans le fluide de travail, alors, sur la base de la loi de conservation de l'énergie, nous pouvons écrire :

dQ = dK + dH + dA.

La somme dK + dH représente la variation de l'énergie interne dU des molécules du système suite à l'apport de chaleur.
Alors la formule de conservation de l’énergie pour un processus thermodynamique peut s’écrire :

dQ = dU + dA ou dQ = dU + pdV.

Cette équation est une expression mathématique première loi de la thermodynamique: la quantité de chaleur dQ fournie au système de gaz est dépensée pour modifier son énergie interne dU et effectuer un travail externe dA.

Classiquement, on considère que lorsque dQ > 0, la chaleur est transférée au fluide de travail et lorsque dQ< 0 теплота отнимается от тела. При dA >0 le système fonctionne (le gaz se dilate), et à dA< 0 работа совершается над системой (газ сжимается) .

Pour un gaz parfait, entre les molécules dont il n'y a pas d'interaction, la variation de l'énergie interne dU est entièrement déterminée par la variation de l'énergie cinétique de mouvement (c'est-à-dire augmenter la vitesse des molécules), et le changement de volume caractérise le travail du gaz pour vaincre les forces extérieures.

La première loi de la thermodynamique a une autre formulation : l'énergie d'un système thermodynamique isolé reste inchangée quels que soient les processus qui s'y produisent.
Il est impossible de construire une machine à mouvement perpétuel du premier type, c'est-à-dire une machine fonctionnant périodiquement et capable d'effectuer un travail sans dépenser d'énergie.



Deuxième loi de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique décrit les relations quantitatives entre les paramètres d'un système thermodynamique qui ont lieu dans les processus de conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique et vice versa, mais n'établit pas les conditions dans lesquelles ces processus sont possibles. Ces conditions nécessaires à la transformation d'un type d'énergie en un autre sont révélées par la deuxième loi de la thermodynamique.

Il existe plusieurs formulations de cette loi, et chacune d'elles a le même contenu sémantique. Voici les formulations les plus fréquemment citées de la deuxième loi de la thermodynamique.

1. Pour convertir la chaleur en travail mécanique, il est nécessaire de disposer d'une source de chaleur et d'un réfrigérateur dont la température est inférieure à la température de la source, c'est-à-dire qu'une différence de température est nécessaire.

2. Il est impossible de mettre en œuvre un moteur thermique dont le seul résultat serait la conversion de la chaleur d’un corps quelconque en travail sans qu’une partie de cette chaleur ne soit transférée à d’autres corps.
De cette formulation, nous pouvons conclure qu'il est impossible de construire une machine à mouvement perpétuel qui fonctionne grâce à une seule source de chaleur, car aucune source de chaleur, même la plus colossale, sous la forme d'un corps matériel, n'est capable de fournir plus de chaleur. énergie thermique que l'enthalpie le permet (partie de l'énergie totale d'un corps qui peut être convertie en chaleur en refroidissant le corps jusqu'à la température zéro absolue).

3. La chaleur ne peut pas, par elle-même, passer d'un corps moins chauffé à un corps plus chauffé sans dépense de travail extérieur.

Comme vous pouvez le constater, la deuxième loi de la thermodynamique n'est pas basée sur un contenu formel, mais décrit uniquement les conditions dans lesquelles certains phénomènes et processus thermodynamiques sont possibles, confirmant en fait la loi générale de conservation de l'énergie.