열역학 제 2 법칙 에는 여러 가지 형태의 표현이 있습니다. 그중 하나는 열 엔진이 흡수하는 모든 에너지를 사용 가능한 작업으로 완전히 변환 할 수 없다고 말합니다 (Kelvin-Planck 공식). 이를 나타내는 또 다른 방법은 엔트로피가 증가하는 경향이 있기 때문에 에너지의 품질이 낮다는 의미에서 실제 프로세스가 발생한다고 말하는 것입니다.
열역학의 제 2 원리로도 알려진이 법칙은 19 세기 초부터 현재까지 시간이 지남에 따라 다른 방식으로 표현되었지만 그 기원은 영국에서 최초의 증기 기관을 만들 때부터 시작되었습니다. , 18 세기 초.
그림 1. 빌딩 블록을 땅에 던질 때 순서대로 떨어지면 매우 놀랍습니다. 출처 : Pixabay.
그러나 여러 가지 방법으로 표현되지만, 물질은 무질서 해지는 경향이 있고 어떤 프로세스도 100 % 효율적이지 않다는 생각은 손실이 항상 존재하기 때문입니다.
모든 열역학 시스템은 우주 자체에서 시작하여 환경과 열을 교환하는 테이블 위에서 조용히 기다리는 커피 한 잔까지이 원칙을 고수합니다.
커피는 시간이 지남에 따라 환경과 열 평형이 될 때까지 냉각되므로 언젠가 반대가 발생하고 커피가 자체 가열되는 동안 환경이 냉각된다면 매우 놀랄 것입니다. 일어날 가능성은 낮고 일부는 불가능하다고 말하지만 자발적으로 일어나는 감각에 대한 아이디어를 얻으려면 상상하는 것으로 충분합니다.
또 다른 예에서, 우리가 테이블의 표면을 가로 질러 책을 슬라이드하면, 그 운동 에너지가 마찰로 인해 열로 손실되기 때문에 결국 중지됩니다.
열역학의 제 1 법칙과 제 2 법칙은 "열역학"이라는 용어의 창시자 인 Lord Kelvin, 열역학에 대한 최초의 공식 문서의 저자 인 William Rankine 및 Rudolph Clausius와 같은 과학자들 덕분에 1850 년경에 제정되었습니다.
공식 및 방정식
처음에 언급 한 엔트로피는 우리가 어떤 일이 일어나는지 이해하는 데 도움이됩니다. 열 접촉하는 신체의 예로 돌아가 보겠습니다.
서로 다른 온도의 두 물체가 접촉하고 얼마 후 열 평형에 도달하면 두 물체의 온도가 같을 때 엔트로피가 최대 값에 도달한다는 사실에 의해 물체가 움직입니다.
엔트로피를 S로 표시하면 시스템의 엔트로피 ΔS의 변화는 다음과 같습니다.
엔트로피 ΔS의 변화는 시스템의 무질서 정도를 나타내지 만이 방정식의 사용에는 제한이 있습니다. 가역적 프로세스, 즉 시스템이 떠나지 않고 원래 상태로 돌아갈 수있는 프로세스에만 적용됩니다. 일어난 일의 흔적.
비가 역적 과정에서 열역학 제 2 법칙은 다음과 같이 나타납니다.
가역 및 비가역 프로세스
커피 한잔은 항상 차가워지며, 항상 한 방향으로 만 발생하기 때문에 돌이킬 수없는 과정의 좋은 예입니다. 커피에 크림을 넣고 흔들면 아주 좋은 조합을 얻을 수 있지만, 아무리 많이 흔들어도 다시는 커피와 크림이 따로 나오지 않을 것입니다. 젓는 것은 되돌릴 수 없기 때문입니다.
그림 2. 컵 파손은 되돌릴 수없는 과정입니다. 출처 : Pixabay.
대부분의 일일 프로세스는 되돌릴 수 없지만 일부는 거의 되돌릴 수 있습니다. 가역성은 이상화입니다. 이것이 일어나기 위해서는 시스템이 각 지점에서 항상 평형 상태에 있도록 매우 천천히 변경되어야합니다. 이런 식으로 주변에 흔적을 남기지 않고 이전 상태로 되돌릴 수 있습니다.
이 이상에 상당히 가까운 프로세스는 더 적은 에너지 소비로 더 많은 양의 작업을 제공하므로 더 효율적입니다.
마찰력은 비가역성의 대부분을 차지합니다. 왜냐하면 마찰력에 의해 생성 된 열은 원하는 에너지 유형이 아니기 때문입니다. 테이블을 가로 질러 미끄러지는 책에서 마찰열은 회복되지 않는 에너지입니다.
책이 원래의 위치로 돌아와도 테이블은오고가는 흔적처럼 뜨거웠을 것이다.
이제 백열 전구를보세요. 필라멘트를 통과하는 전류에 의해 수행되는 대부분의 작업은 줄 효과에 의해 열로 낭비됩니다. 빛을 방출하는 데는 적은 비율 만 사용됩니다. 두 프로세스 (책과 전구)에서 시스템의 엔트로피가 증가했습니다.
응용
이상적인 모터는 가역 공정을 사용하여 제작되고 마찰이 없어 에너지 낭비를 유발하여 거의 모든 열 에너지를 사용 가능한 작업으로 변환하는 모터입니다.
Carnot의 이상적인 엔진조차 100 % 효율적이지 않기 때문에 우리는 거의 단어를 강조합니다. 열역학의 두 번째 법칙은 이것이 사실이 아님을주의합니다.
카르노 엔진
카르노 엔진은 고안 할 수있는 가장 효율적인 엔진입니다. 열 에너지 전달없이 두 개의 등온 공정 (항온)과 두 개의 단열 공정에서 두 개의 온도 탱크 사이에서 작동합니다.
PV (압력-부피 다이어그램)라는 그래프는 상황을 한 눈에 명확하게 보여줍니다.
그림 3. 왼쪽은 Carnot 모터 다이어그램이고 오른쪽은 PV 다이어그램입니다. 출처 : Wikimedia Commons.
왼쪽 그림 3은 온도 T 1에 있는 탱크에서 열 Q 1 을 가져와 열을 작업 W로 변환하고 폐기물 Q 2 를 더 차가운 탱크 로 옮기는 Carnot 엔진 C의 다이어그램입니다. 온도 T 2 입니다.
A에서 시작하여 시스템은 B에 도달 할 때까지 확장되어 고정 온도 T 1 에서 열을 흡수 합니다. B에서 시스템은 C에 도달하기 위해 열을 얻거나 잃지 않는 단열 팽창을 시작합니다.
C에서 또 다른 등온 과정이 시작됩니다 : 열을 T 2 에있는 다른 더 차가운 열 퇴적물로 전달하는 것입니다 . 이 과정에서 시스템은 압축되어 D 지점에 도달합니다. 시작 지점 A로 돌아 가기위한 두 번째 단열 과정이 시작됩니다. 이러한 방식으로 사이클이 완료됩니다.
Carnot 엔진의 효율은 두 개의 열 저장소의 켈빈 온도에 따라 다릅니다.
Carnot의 정리에 따르면 이것이 가장 효율적인 열 엔진이지만 너무 빨리 구입하지 마십시오. 프로세스의 가역성에 대해 우리가 말한 것을 기억하십니까? 그것들은 아주 아주 느리게 일어나야합니다. 그래서이 기계의 출력은 거의 없습니다.
인간의 신진 대사
인간은 모든 시스템이 작동하도록 유지하기 위해 에너지가 필요하므로 에너지를 받고이를 기계적 에너지로 변환하여 예를 들어 이동하는 열 기계처럼 행동합니다.
일을 할 때 인체의 효율성은 그것이 제공 할 수있는 기계적 힘과 음식과 함께 제공되는 총 에너지 입력 사이의 몫으로 정의 될 수 있습니다.
평균 전력 P m 은 시간 간격 Δt에서 수행 된 작업 W이므로 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
ΔU / Δt가 에너지가 추가되는 비율이면 신체 효율은 다음과 같습니다.
자원 봉사자들과의 수많은 테스트를 통해 최대 17 %의 효율을 달성하여 몇 시간 동안 약 100 와트의 전력을 제공합니다.
물론 그것은 수행되는 작업에 크게 좌우됩니다. 자전거 페달링은 효율성이 약 19 %로 약간 더 높은 반면, 삽, 픽, 괭이를 포함한 반복적 인 작업은 약 3 % 정도로 낮습니다.
예
열역학의 두 번째 법칙은 우주에서 일어나는 모든 과정에 내재되어 있습니다. 일부 시스템에서는 감소하는 것처럼 보이지만 엔트로피는 항상 증가하고 있습니다. 이것이 일어나려면 다른 곳에서 증가해야했기 때문에 전체 균형에서 긍정적입니다.
-학습에는 엔트로피가 있습니다. 일을 빠르고 잘 배우고 나중에 쉽게 기억할 수있는 사람들이 있습니다. 엔트로피 학습이 낮은 사람이라고하지만, 엔트로피가 높은 사람에 비해 확실히 숫자가 적습니다. 공부 한 내용을 기억하기 어려운 사람입니다.
-근로자가 무질서한 회사는 일을 정돈 된 방식으로 수행하는 회사보다 엔트로피가 더 많습니다. 후자가 전자보다 더 효율적일 것임이 분명합니다.
-마찰력은 효율적으로 사용할 수없는 소산 에너지의 양을 증가시키기 때문에 기계 작동시 효율성이 떨어집니다.
-주사위를 굴리는 것은 동전을 던지는 것보다 엔트로피가 높습니다. 결국, 동전 던지기는 가능한 결과가 2 개 뿐인 반면, 주사위 던지기는 6 개의 결과를 얻을 수 있습니다. 이벤트가 많을수록 엔트로피가 더 많이 발생합니다.
해결 된 운동
연습 1
피스톤 실린더는 300K의 액체와 증기의 혼합물로 채워지고 750kJ의 열은 일정한 압력 과정에 의해 물로 전달됩니다. 결과적으로 실린더 내부의 액체가 증발합니다. 프로세스의 엔트로피 변화를 계산합니다.
그림 4. 해결 된 예의 그림 1. 출처 : F. Zapata.
해결책
성명서에 설명 된 프로세스는 대량 교환을 거치지 않는 폐쇄 시스템에서 일정한 압력으로 수행됩니다.
온도가 변하지 않는 기화이기 때문에 (상이 변하는 동안 온도는 일정 함) 위에 주어진 엔트로피 변화의 정의를 적용 할 수 있으며 온도는 적분을 벗어날 수 있습니다.
ΔS = 750,000 J / 300 K = 2,500 J / K.
열이 시스템에 들어가기 때문에 엔트로피의 변화는 양수입니다.
연습 2
가스는 2.00 기압에서 6.00 기압 (atm)으로 압력이 증가하여 1.00 m 3 의 일정한 부피를 유지 한 다음 3.00 m 3 의 부피에 도달 할 때까지 일정한 압력으로 팽창 합니다. 마지막으로 초기 상태로 돌아갑니다. 1주기에 얼마나 많은 작업이 수행되는지 계산하십시오.
그림 5. 가스의 열역학 프로세스 (예 : 2). 출처 : Serway -Vulle. 물리학의 기초.
해결책
열역학의 첫 번째 법칙에 따라 내부 에너지 변동이 0 인 주기적 프로세스이므로 Q = W입니다. PV (압력-체적) 다이어그램에서 주기적 프로세스 동안 수행되는 작업은 동일합니다. 곡선으로 둘러싸인 영역에. 국제 시스템에서 결과를 제공하려면 다음 변환 계수를 사용하여 압력 단위를 변경해야합니다.
1 atm = 101.325 kPa = 101.325 Pa.
그래프로 둘러싸인 면적은 밑변 ( 3-1 m 3 ) = 2 m 3 이고 높이가 (6-2 atm) = 4 atm = 405,300 Pa 인 삼각형의 면적에 해당합니다.
W ABCA = ½ (2m 3 x 405300 Pa) = 405300 J = 405.3 kJ.
연습 3
지금까지 만들어진 가장 효율적인 기계 중 하나는 오하이오 강에있는 석탄 연소 증기 터빈으로 1870 ~ 430 ° C에서 작동하는 발전기에 전력을 공급하는 데 사용됩니다.
계산 : a) 이론상 최대 효율, b) 기계가 뜨거운 탱크에서 매초 1.40 x 10 5 J의 에너지를 흡수하는 경우 기계가 전달하는 기계적 힘 . 실제 효율은 42.0 %로 알려져 있습니다.
해결책
a) 최대 효율은 위에 주어진 방정식으로 계산됩니다.
섭씨 온도를 켈빈으로 변경하려면 섭씨 온도에 273.15를 더하면됩니다.
100 %를 곱하면 67.2 % 인 최대 효율 백분율이 제공됩니다.
c) 실제 효율이 42 %이면 최대 효율은 0.42입니다.
전달되는 기계적 동력은 P = 0.42 x 1.40 x10 5 J / s = 58800W입니다.
참고 문헌
- Bauer, W. 2011. 공학 및 과학 물리학. 볼륨 1. Mc Graw Hill.
- Cengel, Y. 2012. 열역학. 7 ma 에디션. McGraw Hill.
- Figueroa, D. (2005). 시리즈 : 과학 및 공학 물리학. Volume 4. 유체 및 열역학. Douglas Figueroa (USB) 편집.
- Knight, R. 2017. 과학자 및 공학을위한 물리학 : 전략 접근.
- López, C. 열역학 제 1 법칙. 출처 : culturacientifica.com.
- Serway, R. 2011. 물리학의 기초. 9 해당 없음 Cengage 학습.
- 세비야 대학교. 열 기계. 출처 : laplace.us.es