Druga zasada termodynamiki — kierunek przepływu ciepła i entropia
Co zrobimy: Zetkniemy ciało gorące z zimnym i sprawdzimy, w którą stronę sam popłynie strumień ciepła — oraz czy da się go odwrócić bez nakładu pracy.
Co widzisz na ekranie: Dwa bloki o różnej temperaturze w kontakcie, strzałkę przepływu ciepła i termometry dążące do wspólnej temperatury, a także pasek entropii, który rośnie. Próba wymuszenia przepływu „pod górę" zostaje zablokowana. Odczyty: temperatury, kierunek przepływu ciepła, entropia i stan procesu.
Dam Ci dwa ciała i kierunek ciepła — rozstrzygnij, co mówi II zasada (bez suwaków).
Co się właśnie stało?
Ciepło samo popłynęło od ciała gorącego do zimnego, aż temperatury się wyrównały. W drugą stronę — z zimnego do gorącego — samo nie chce płynąć.
Druga zasada termodynamiki:
określa KIERUNEK procesów. Ciepło samorzutnie przechodzi od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej, nigdy odwrotnie (bez nakładu pracy z zewnątrz).
Entropia:
miara „nieuporządkowania" układu. W układzie izolowanym entropia w procesach samorzutnych ROŚNIE:
Dlatego wydarzenia mają „strzałkę czasu" — rozlana herbata stygnie i się miesza, a nie odwrotnie.
Silniki cieplne:
nie da się całego ciepła zamienić na pracę — każdy silnik oddaje część ciepła do chłodnicy, więc jego sprawność jest zawsze mniejsza od 100%.
A lodówka?
Ciepło MOŻE popłynąć od zimnego do gorącego, ale nie samo — trzeba włożyć pracę (sprężarka).
Po co Ci to na maturze:
kierunek procesów samorzutnych, pojęcie entropii i ograniczenie sprawności silników to podstawa drugiej zasady. Chwyt: samo z siebie ciepło płynie „w dół" temperatury, entropia rośnie.
Zapamiętaj: ciepło samorzutnie płynie od cieplejszego do zimniejszego, a entropia układu izolowanego rośnie. Odwrócenie wymaga pracy z zewnątrz.
Teoria i wzory
Kierunek przepływu ciepła
Ciepło samorzutnie płynie od ciała cieplejszego do zimniejszego, aż do wyrównania temperatur. Odwrotny przepływ „pod górę” nie zachodzi samoczynnie — wymaga nakładu pracy (jak w lodówce).
Entropia
Miarą nieuporządkowania układu jest entropia. W procesach samorzutnych w układzie izolowanym entropia rośnie: Przy przekazie ciepła w temperaturze zmiana entropii to .
Silnik cieplny
Nie da się całego pobranego ciepła zamienić w pracę — część musi trafić do chłodnicy. Dlatego sprawność silnika cieplnego jest zawsze mniejsza od 100%.
Oznaczenia: — zmiana entropii, — ciepło, — temperatura bezwzględna (w kelwinach).
Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.
Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.
Najczęstsze pytania
›Co mówi druga zasada termodynamiki?
Ciepło samorzutnie płynie od ciała cieplejszego do zimniejszego, a entropia układu izolowanego rośnie.
›Co to jest entropia?
Miara nieuporządkowania układu; w procesach samorzutnych w układzie izolowanym rośnie (ΔS > 0).
›Dlaczego silnik cieplny nie ma 100% sprawności?
Bo część pobranego ciepła musi oddać do chłodnicy — nie da się całego ciepła zamienić w pracę.