คำจำกัดความของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ (2 สูตร):

สูตรเคลวินและพลังค์ไม่มีกระบวนการแบบวนรอบที่จะดึงปริมาณความร้อนออกจากอ่างเก็บน้ำ ณ อุณหภูมิที่กำหนด และแปลงความร้อนนั้นให้เป็นงานโดยสมบูรณ์ (เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักรที่ทำงานเป็นระยะซึ่งไม่ได้ทำอะไรนอกจากการยกภาระและทำให้อ่างเก็บน้ำความร้อนเย็นลง)

สูตรของคลอเซียสไม่มีกระบวนการใดที่ผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือการถ่ายเทความร้อนจากตัวที่มีความร้อนน้อยกว่าไปยังตัวที่มีความร้อนมากขึ้น (กระบวนการแบบวงกลมเป็นไปไม่ได้ ผลลัพธ์เดียวคือการผลิตงานโดยการระบายความร้อนของแหล่งกักเก็บความร้อน)

คำจำกัดความทั้งสองของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ขึ้นอยู่กับกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ซึ่งระบุว่าพลังงานลดลง

กฎข้อที่สองเกี่ยวข้องกับแนวคิดเรื่องเอนโทรปี (S)

เอนโทรปีถูกสร้างขึ้นจากกระบวนการทั้งหมด มันเกี่ยวข้องกับการสูญเสียความสามารถของระบบในการทำงาน การเติบโตของเอนโทรปีเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง ถ้าปริมาตรและพลังงานของระบบคงที่ การเปลี่ยนแปลงใดๆ ในระบบจะเพิ่มเอนโทรปี หากปริมาตรหรือพลังงานของระบบเปลี่ยนแปลง เอนโทรปีของระบบจะลดลง อย่างไรก็ตาม เอนโทรปีของจักรวาลไม่ลดลง

การใช้พลังงานจะต้องมีพื้นที่ที่มีระดับพลังงานสูงและต่ำอยู่ในระบบ งานที่เป็นประโยชน์เกิดจากการถ่ายเทพลังงานจากพื้นที่ที่มีระดับพลังงานสูงไปยังพื้นที่ที่มีพลังงานต่ำ

• พลังงาน 100% ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นงานได้
• เอนโทรปีสามารถสร้างได้ แต่ไม่สามารถทำลายได้

ข้อความของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

หากกระบวนการเกิดขึ้นในระบบปิด เอนโทรปีของระบบนี้จะไม่ลดลง ในรูปแบบของสูตร กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เขียนได้ดังนี้:

\[\int^((1))_((2)\ L)(\dfrac(\delta Q)(T)=\int^((1))_((2))(dS))=S_1 -S_2\le 0 \ควอด (1),\]

โดยที่ S คือเอนโทรปี L คือเส้นทางที่ระบบเคลื่อนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง

ในการกำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์นี้ ควรให้ความสนใจกับข้อเท็จจริงที่ว่าระบบที่อยู่ระหว่างการพิจารณาจะต้องถูกปิด ในระบบเปิด เอนโทรปีสามารถทำงานในลักษณะใดก็ได้ (สามารถลดลง เพิ่ม หรือคงที่ได้) โปรดทราบว่าเอนโทรปีไม่เปลี่ยนแปลงในระบบปิดระหว่างกระบวนการที่สามารถย้อนกลับได้

การเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีในระบบปิดในระหว่างกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้คือการเปลี่ยนแปลงของระบบอุณหพลศาสตร์จากสถานะที่มีความน่าจะเป็นต่ำกว่าไปสู่สถานะที่มีความน่าจะเป็นสูงกว่า สูตร Boltzmann อันโด่งดังให้การตีความกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ทางสถิติ:

โดยที่ k คือค่าคงที่ของ Boltzmann w - ความน่าจะเป็นทางอุณหพลศาสตร์ (จำนวนวิธีที่สามารถรับรู้มาโครสเตตของระบบที่อยู่ระหว่างการพิจารณา) ดังนั้นกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์จึงเป็นกฎทางสถิติที่เกี่ยวข้องกับคำอธิบายของรูปแบบของการเคลื่อนที่ทางความร้อน (วุ่นวาย) ของโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นระบบเทอร์โมไดนามิกส์

ประสิทธิภาพเครื่องยนต์ความร้อน

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานระหว่างระดับพลังงานสองระดับจะพิจารณาจากอุณหภูมิสัมบูรณ์

\[ \eta = \dfrac(T_h - T_c)(T_h) = \frac(1 - T_c )(T_h) \]

โดยที่: η - ประสิทธิภาพ, T h - ขีดจำกัดอุณหภูมิบน (K), T c - ขีดจำกัดอุณหภูมิต่ำกว่า (K)

เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพสูงสุด ควรรักษา Tc ให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้เอฟเฟกต์เป็น 100% T c ต้องเท่ากับ 0 ในระดับเคลวิน ในทางปฏิบัติสิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ ดังนั้นประสิทธิภาพจึงน้อยกว่า 1 เสมอ (น้อยกว่า 100%)

• การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี > 0 กลับไม่ได้กระบวนการ
• การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี = 0 ทวิภาคีกระบวนการ (ย้อนกลับได้)
• การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี< 0 เป็นไปไม่ได้กระบวนการ (เป็นไปไม่ได้)

เอนโทรปีกำหนดความสามารถสัมพัทธ์ของระบบหนึ่งที่จะมีอิทธิพลต่ออีกระบบหนึ่ง เมื่อพลังงานเคลื่อนไปสู่ระดับพลังงานที่ต่ำลง ซึ่งโอกาสที่จะส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมลดลง เอนโทรปีก็จะเพิ่มขึ้น

ความหมายของเอนโทรปี

เอนโทรปีถูกกำหนดเป็น:

\[ ส = \dfrac(H)(T) \]

โดยที่: S = เอนโทรปี (kJ/kg*K), H - เอนทัลปี> (kJ/kg), T = อุณหภูมิสัมบูรณ์ (K)

การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในระบบ การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีเท่ากับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบหารด้วยอุณหภูมิสัมบูรณ์เฉลี่ย (Ta):

\[ dS = \frac(dH)(T_a) \]

ผลรวมของค่า (H/T) สำหรับแต่ละรอบการ์โนต์ที่สมบูรณ์คือ 0 เนื่องจากทุกๆ ค่า H บวก จะมีค่า H ลบที่ตรงข้ามกัน

วัฏจักรความร้อนการ์โนต์

วัฏจักรคาร์โนต์เป็นวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ในอุดมคติ

ในเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อน ก๊าซจะถูกให้ความร้อน (แบบย้อนกลับ) แล้วจึงทำให้เย็นลง แบบจำลองวงจรมีดังนี้:

ตำแหน่ง 1 -- (การขยายตัวของไอโซเทอร์มอล) → ตำแหน่ง 2 -- (การขยายตัวแบบอะเดียแบติก) → ตำแหน่ง 3 --(การบีบอัดไอโซเทอร์มอล) → ตำแหน่ง 4 --(การบีบอัดอะเดียแบติก) → ตำแหน่ง 1

ตำแหน่ง 1 - ตำแหน่ง 2: การขยายตัวของอุณหภูมิคงที่การขยายตัวของไอโซเทอร์มอล ที่จุดเริ่มต้นของกระบวนการ สารทำงานจะมีอุณหภูมิ T ชั่วโมง นั่นคืออุณหภูมิของเครื่องทำความร้อน จากนั้นร่างกายจะถูกนำไปสัมผัสกับเครื่องทำความร้อน ซึ่งโดยอุณหภูมิคงที่ (ที่อุณหภูมิคงที่) จะถ่ายเทปริมาณความร้อน QH ไปยังเครื่องทำความร้อน ในเวลาเดียวกันปริมาตรของของไหลทำงานจะเพิ่มขึ้น Q H =∫Tds=T ชั่วโมง (S 2 -S 1) =T ชั่วโมง ΔS

ตำแหน่ง 2 - ตำแหน่ง 3: การขยายตัวแบบอะเดียแบติกการขยายตัวแบบอะเดียแบติก (ไอเซนโทรปิก) สารทำงานถูกตัดการเชื่อมต่อจากเครื่องทำความร้อนและยังคงขยายตัวต่อไปโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม ในเวลาเดียวกันอุณหภูมิจะลดลงตามอุณหภูมิของตู้เย็น

ตำแหน่ง 3 - ตำแหน่ง 4: การบีบอัดไอโซเทอร์มอลการบีบอัดไอโซเทอร์มอล สารทำงานซึ่งในเวลานั้นมีอุณหภูมิ Tc จะถูกนำไปสัมผัสกับตู้เย็นและเริ่มบีบอัดด้วยความร้อนโดยให้ปริมาณความร้อน Qc ไปยังตู้เย็น Q c =T c (S 2 -S 1)=T c ΔS

ตำแหน่ง 4 - ตำแหน่ง 1: การบีบอัดอะเดียแบติกการบีบอัดอะเดียแบติก (ไอเซนโทรปิก) สารทำงานถูกตัดการเชื่อมต่อจากตู้เย็นและบีบอัดโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม ในเวลาเดียวกันอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อน

ในระหว่างกระบวนการไอโซเทอร์มอล อุณหภูมิจะคงที่ ในระหว่างกระบวนการอะเดียแบติก จะไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งหมายความว่าเอนโทรปีจะถูกอนุรักษ์ไว้

ดังนั้นจึงสะดวกที่จะแสดงวัฏจักรคาร์โนต์ในพิกัด T และ S (อุณหภูมิและเอนโทรปี)

กฎของอุณหพลศาสตร์ถูกกำหนดโดยเชิงประจักษ์ (เชิงทดลอง) กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์คือการสรุปการทดลองที่เกี่ยวข้องกับเอนโทรปี เป็นที่ทราบกันว่า dS ของระบบบวก dS ของสภาพแวดล้อมมีค่าเท่ากับหรือมากกว่า 0

เอนโทรปีของระบบแยกอะเดียแบติกไม่เปลี่ยนแปลง!

Javascript ถูกปิดใช้งานในเบราว์เซอร์ของคุณ
หากต้องการคำนวณ คุณต้องเปิดใช้งานตัวควบคุม ActiveX!

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เป็นหนึ่งในกฎทั่วไปและเป็นพื้นฐานที่สุดของธรรมชาติ ไม่มีกระบวนการเดียวที่รู้ว่าอย่างน้อยที่สุด

ก็จะมีการละเมิดไปบ้าง หากกฎหมายฉบับแรกห้ามกระบวนการใด ๆ คุณสามารถมั่นใจได้อย่างแน่นอนว่ามันจะไม่เกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม กฎหมายนี้ไม่ได้ให้ข้อบ่งชี้ใด ๆ เกี่ยวกับทิศทางที่กระบวนการที่เป็นไปตามหลักการอนุรักษ์พลังงานพัฒนาขึ้น

ลองอธิบายเรื่องนี้ด้วยตัวอย่าง

ทิศทางของกระบวนการทางความร้อนกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ไม่ได้บอกอะไรเกี่ยวกับทิศทางการแลกเปลี่ยนความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่สัมผัสกับความร้อนและอยู่ในอุณหภูมิที่ต่างกัน ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น การแลกเปลี่ยนความร้อนเกิดขึ้นในลักษณะที่อุณหภูมิเท่ากัน และทั้งระบบมีแนวโน้มที่จะมีสภาวะสมดุลทางความร้อน แต่กฎข้อแรกจะไม่ถูกละเมิดหากในทางกลับกันการถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นจากวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่า โดยมีเงื่อนไขว่าปริมาณพลังงานภายในทั้งหมดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม ประสบการณ์ในชีวิตประจำวันแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้ไม่เคยเกิดขึ้นด้วยตัวเอง

อีกตัวอย่างหนึ่ง: เมื่อหินตกลงมาจากที่สูง พลังงานจลน์ทั้งหมดของการเคลื่อนที่แบบแปลผ่านของมันจะหายไปเมื่อมันกระทบพื้น แต่ในขณะเดียวกันพลังงานภายในของหินเองและวัตถุที่อยู่รอบ ๆ มันจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นกฎหมาย การอนุรักษ์พลังงานไม่ละเมิดแน่นอน แต่กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์จะไม่ขัดแย้งกับกระบวนการย้อนกลับ ซึ่งความร้อนจำนวนหนึ่งจะถูกถ่ายโอนจากวัตถุที่อยู่รอบๆ ไปยังหินที่วางอยู่บนพื้น ซึ่งส่งผลให้หินสูงขึ้นถึงความสูงระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ไม่มีใครเคยสังเกตเห็นก้อนหินที่กระโดดอย่างเป็นธรรมชาติเช่นนี้มาก่อน

ความไม่เท่าเทียมกันของพลังงานประเภทต่างๆเมื่อนึกถึงตัวอย่างเหล่านี้และตัวอย่างอื่นที่คล้ายคลึงกัน เราก็ได้ข้อสรุปว่ากฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ไม่ได้กำหนดข้อจำกัดใด ๆ เกี่ยวกับทิศทางของการเปลี่ยนแปลงพลังงานจากประเภทหนึ่งไปยังอีกประเภทหนึ่ง และเกี่ยวกับทิศทางการถ่ายเทความร้อนระหว่างร่างกาย โดยต้องการเพียง การอนุรักษ์พลังงานสำรองเต็มรูปแบบในระบบปิด ในขณะเดียวกัน ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าพลังงานประเภทต่างๆ นั้นไม่เท่ากันในแง่ของความสามารถในการแปลงร่างเป็นพลังงานประเภทอื่น

พลังงานกลสามารถแปลงเป็นพลังงานภายในของร่างกายได้อย่างสมบูรณ์ ไม่ว่าอุณหภูมิจะเป็นอย่างไรก็ตาม อันที่จริงวัตถุใดๆ ก็ตามสามารถได้รับความร้อนจากการเสียดสี ซึ่งจะเป็นการเพิ่มพลังงานภายในตามปริมาณที่เท่ากับงานที่ทำเสร็จ ในทำนองเดียวกัน พลังงานไฟฟ้าสามารถแปลงเป็นพลังงานภายในได้อย่างสมบูรณ์ เช่น เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านความต้านทาน

สำหรับการแปลงพลังงานภายในแบบย้อนกลับเป็นประเภทอื่น มีข้อจำกัดบางประการ ซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่า ไม่สามารถแปลงสต็อกพลังงานภายในได้ไม่ว่าในสถานการณ์ใดก็ตาม

กลายเป็นพลังงานประเภทอื่นโดยสิ้นเชิง คุณลักษณะที่ระบุไว้ของการเปลี่ยนแปลงพลังงานมีความเกี่ยวข้องกับทิศทางของกระบวนการในธรรมชาติ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ซึ่งสะท้อนทิศทางของกระบวนการทางธรรมชาติและกำหนดข้อ จำกัด เกี่ยวกับทิศทางที่เป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบมหภาคก็เหมือนกับกฎพื้นฐานอื่น ๆ คือการสรุปข้อเท็จจริงเชิงทดลองจำนวนมาก

เพื่อให้จินตนาการถึงเนื้อหาทางกายภาพของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับปัญหาการพลิกกลับของกระบวนการทางความร้อน

กระบวนการที่ย้อนกลับได้และไม่สามารถย้อนกลับได้ถ้าเงื่อนไขมีการเปลี่ยนแปลงช้าพอที่จะทำให้อัตราของกระบวนการที่เกิดขึ้นในระบบที่พิจารณาน้อยกว่าอัตราการผ่อนคลายอย่างมีนัยสำคัญ กระบวนการดังกล่าวจะเป็นตัวแทนของห่วงโซ่ของสถานะสมดุลที่อยู่ใกล้กันทางกายภาพ ดังนั้นกระบวนการดังกล่าวจึงอธิบายโดยใช้พารามิเตอร์มหภาคเดียวกันกับสถานะสมดุล กระบวนการที่ช้าเหล่านี้เรียกว่าสมดุลหรือกึ่งคงที่ ในกระบวนการดังกล่าว ระบบสามารถกำหนดลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความดัน อุณหภูมิ ฯลฯ กระบวนการจริงนั้นไม่มีความสมดุลและสามารถพิจารณาถึงความสมดุลได้ด้วยความแม่นยำไม่มากก็น้อย

ลองพิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้

ปล่อยให้ก๊าซอยู่ในภาชนะทรงกระบอกที่ปิดด้วยลูกสูบ หากคุณขยายลูกสูบด้วยความเร็วจำกัด การขยายตัวของก๊าซจะเป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ จริงๆ แล้วทันทีที่ลูกสูบยืดออก แรงดันแก๊สที่ลูกสูบโดยตรงจะน้อยกว่าส่วนอื่นๆ ของกระบอกสูบ กระบวนการดังกล่าวไม่สามารถดำเนินการแบบย้อนกลับได้ผ่านสถานะกลางเดียวกัน เนื่องจากเมื่อลูกสูบถูกดันกลับด้วยความเร็วจำกัด จะไม่เกิดการแปรสภาพของก๊าซใกล้กับลูกสูบ แต่จะเกิดการบีบอัด ดังนั้นการขยายตัวอย่างรวดเร็วหรือการบีบอัดของก๊าซจึงเป็นตัวอย่างของกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้

หากต้องการขยายก๊าซในลักษณะที่พลิกกลับได้อย่างเคร่งครัด ลูกสูบจะต้องขยายออกอย่างช้าๆ อย่างไม่มีกำหนด ในกรณีนี้ ความดันแก๊สจะเท่ากันในแต่ละช่วงเวลาตลอดปริมาตรทั้งหมด สถานะของแก๊สจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งของลูกสูบ ไม่ใช่ทิศทางการเคลื่อนที่ และกระบวนการจะย้อนกลับได้

กระบวนการขยายก๊าซที่ไม่สามารถย้อนกลับได้จะแสดงออกมาอย่างชัดเจนที่สุดเมื่อการขยายตัวเกิดขึ้นจนว่างเปล่าโดยไม่ได้ทำงานทางกล

กระบวนการทั้งหมดที่มาพร้อมกับการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างวัตถุที่อุณหภูมิต่างกันนั้นไม่สามารถย้อนกลับได้ การแลกเปลี่ยนความร้อนกลับไม่ได้นั้นมองเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในตัวอย่างการปรับอุณหภูมิของร่างกายให้เท่ากัน

กระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้คือกระบวนการที่พลังงานกลถูกแปลงเป็นพลังงานภายในเมื่อมีแรงเสียดทาน ซึ่งมักเรียกว่าการปล่อยความร้อนเนื่องจากแรงเสียดทาน หากไม่มีแรงเสียดทาน กระบวนการทางกลทั้งหมดจะดำเนินการแบบย้อนกลับได้

ดังนั้นกระบวนการที่พลิกกลับได้ของสมดุลจึงเป็นนามธรรม และในทางปฏิบัติ เนื่องจากการมีอยู่ของแรงเสียดทานและการถ่ายเทความร้อน จึงไม่เกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม การศึกษากระบวนการสมดุลในอุณหพลศาสตร์ทำให้สามารถระบุได้ว่ากระบวนการควรดำเนินการในระบบจริงอย่างไรเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

สูตรต่างๆ ของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในอดีตการค้นพบกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์มีความเกี่ยวข้องกับการศึกษาปัญหาประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อนซึ่งดำเนินการโดย Sadi Carnot นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ต่อมา อาร์. เคลาเซียสและดับเบิลยู. ทอมสัน (ลอร์ด เคลวิน) ได้เสนอสูตรกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ที่แตกต่างกันแต่เทียบเท่ากัน

ตามสูตรของคลอเซียส กระบวนการหนึ่งเป็นไปไม่ได้ ซึ่งผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือการถ่ายเทความร้อนจากร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่า

ทอมสันกำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ดังนี้ กระบวนการที่เป็นคาบเป็นไปไม่ได้ ผลลัพธ์สุดท้ายเพียงอย่างเดียวคือประสิทธิภาพการทำงานเนื่องจากความร้อนที่ดึงมาจากวัตถุชิ้นเดียว

คำว่า “ผลลัพธ์แต่เพียงผู้เดียว” ในสูตรเหล่านี้หมายความว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ นอกเหนือจากที่ระบุไว้เกิดขึ้นทั้งในระบบที่อยู่ระหว่างการพิจารณาหรือในร่างกายที่อยู่รอบๆ แผนภาพทั่วไปของกระบวนการประเภทนี้ ซึ่งถูกห้ามโดยสมมุติฐานของคลอสเซียส แสดงไว้ในรูปที่ 1 56 และกระบวนการที่ห้ามโดยสมมุติฐานของทอมสันแสดงไว้ในรูปที่ 57.

ในสูตรของทอมสัน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์กำหนดข้อจำกัดในการแปลงพลังงานภายในเป็นพลังงานกล จากสูตรของทอมสัน พบว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักรที่จะทำงานโดยรับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเท่านั้น เครื่องจักรสมมุติดังกล่าวถูกเรียกว่าเครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดประเภทที่สอง เนื่องจากพลังงานภายในโลก มหาสมุทร และบรรยากาศสำรองได้อย่างไม่จำกัด ทำให้เครื่องจักรดังกล่าวเทียบเท่ากับเครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดเพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติทั้งหมด

เครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดประเภทที่สองไม่ขัดแย้งกับกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ตรงกันข้ามกับเครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดประเภทที่ 1 กล่าวคือ อุปกรณ์สำหรับการทำงานโดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานใดๆ เลย

ความเท่าเทียมกันของสูตรของคลอเซียสและทอมสันความเท่าเทียมกันของสูตรกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

เสนอโดยคลอเซียสและทอมสัน กำหนดขึ้นโดยใช้เหตุผลง่ายๆ

ให้เราถือว่าสมมุติฐานของทอมสันไม่เป็นความจริง จากนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะดำเนินการตามกระบวนการดังกล่าว ผลลัพธ์เดียวที่จะเป็นประสิทธิภาพของงานเนื่องจากความร้อนที่นำมาจากแหล่งเดียวที่มีอุณหภูมิ T งานนี้สามารถถูกแปลงใหม่ทั้งหมดอีกครั้งเป็นโดยแรงเสียดทาน ความร้อนที่ถ่ายโอนไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่า T ผลลัพธ์เดียวของกระบวนการประกอบดังกล่าวคือการถ่ายเทความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิ T ไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่า แต่สิ่งนี้จะขัดแย้งกับสมมติฐานของคลอสเซียส ดังนั้นสมมุติฐานของคลอเซียสจะไม่ถูกต้องหากสมมุติฐานของทอมสันเป็นเท็จ

ให้เราถือว่า ในทางกลับกัน สมมุติฐานของคลอเซียสไม่ถูกต้อง และเราจะแสดงให้เห็นว่าในกรณีนี้ สมมุติฐานของทอมสันก็ไม่สามารถเป็นที่พอใจได้เช่นกัน มาสร้างเครื่องจักรความร้อนธรรมดาที่จะทำงานโดยรับความร้อนจำนวนหนึ่งจากฮีตเตอร์ส่งไปที่ตู้เย็นและแปลงส่วนต่างให้เป็นงาน (รูปที่ 58)

เนื่องจากสมมุติฐานของคลอเซียสสันนิษฐานว่าไม่ถูกต้อง จึงเป็นไปได้ที่จะดำเนินการตามกระบวนการซึ่งผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือการถ่ายเทความร้อนในปริมาณที่เท่ากันจากตู้เย็นไปยังเครื่องทำความร้อน ซึ่งแสดงเป็นแผนผังทางด้านขวาของรูปที่ 58.

ข้าว. 56. แผนผังของอุปกรณ์สมมุติฐานซึ่งมีการละเมิดสมมุติฐานของคลอเซียส

ข้าว. 57. แผนผังของอุปกรณ์สมมุติฐานที่ละเมิดสมมุติฐานของทอมสัน

ข้าว. 58. การรวมอุปกรณ์ที่แสดงในรูปที่ เข้ากับเครื่องยนต์ความร้อน 56 ซึ่งละเมิดสมมุติฐานของคลอเซียส เราได้รับระบบซึ่งละเมิดสมมุติฐานของทอมสัน

เป็นผลให้เครื่องทำความร้อนจะปล่อยปริมาณความร้อนออกไปให้กับของไหลทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน และรับปริมาณความร้อนในกระบวนการที่ขัดแย้งกับสมมุติฐานของซานตาคลอสซึ่งโดยทั่วไปแล้วมันจะปล่อยปริมาณความร้อนออกไป เท่ากับจำนวนนี้พอดี

เครื่องแปลงความร้อนให้เป็นงาน ในตู้เย็นโดยรวมไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ เกิดขึ้นเลย เนื่องจากให้และรับความร้อนในปริมาณเท่ากัน ตอนนี้เป็นที่ชัดเจนว่าการรวมการกระทำของเครื่องยนต์ความร้อนเข้ากับกระบวนการที่ขัดแย้งกับสมมุติฐานของคลอเซียส ทำให้เราสามารถได้รับกระบวนการได้ ซึ่งขัดแย้งกับสมมุติฐานของทอมสัน

ดังนั้น สมมุติฐานของคลอเซียสและทอมสันจึงเป็นจริงหรือเท็จทั้งสองอย่าง และในแง่นี้ทั้งสองจึงเทียบเท่ากัน ความถูกต้องแม่นยำของระบบขนาดมหภาคได้รับการยืนยันจากข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่มีอยู่ทั้งหมด

หลักการของคาราเทโอโดรีเนื้อหาทางกายภาพของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในสูตรของคลอเซียสและทอมสันแสดงไว้ในรูปแบบของข้อความเกี่ยวกับความเป็นไปไม่ได้ของกระบวนการทางความร้อนจำเพาะ แต่ก็เป็นไปได้ที่จะให้สูตรที่ไม่ได้ระบุประเภทของกระบวนการซึ่งกฎหมายนี้ระบุไว้ว่าเป็นไปไม่ได้ สูตรนี้เรียกว่าหลักการของ Carathéodory ตามหลักการนี้ ใกล้กับสถานะสมดุลแต่ละสถานะของระบบอุณหพลศาสตร์ใดๆ จะมีสถานะสมดุลอื่นๆ ที่ไม่สามารถบรรลุได้ตั้งแต่สถานะแรกแบบอะเดียแบติก

ให้เราแสดงความเท่าเทียมกันของสูตรของ Thomson และหลักการของCarathéodory ปล่อยให้ระบบเทอร์โมไดนามิกส์ตามอำเภอใจเปลี่ยนจากบางสถานะ 1 เป็นสถานะปิด 2 โดยได้รับความร้อนจำนวนหนึ่งและทำงาน จากนั้นตามกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์

ให้เราคืนระบบอะเดียแบติกจากสถานะ 2 เป็นสถานะ จากนั้นในกระบวนการย้อนกลับดังกล่าวจะไม่มีการถ่ายเทความร้อนและกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ให้ไว้

งานที่ระบบดำเนินการอยู่ที่ไหน เมื่อบวก (1) และ (2) เราจะได้

ความสัมพันธ์ (3) แสดงให้เห็นว่าในกระบวนการที่เป็นวัฏจักรดังกล่าว ระบบจะกลับสู่สถานะเดิม และเปลี่ยนความร้อนทั้งหมดที่ได้รับให้เป็นงาน แต่สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ซึ่งกำหนดโดยทอมสัน ซึ่งหมายความว่ากระบวนการแบบวนรอบดังกล่าวไม่สามารถทำได้ ขั้นตอนแรกนั้นเป็นไปได้เสมอ: ในขั้นตอนนี้ ความร้อนจะถูกส่งไปยังระบบเพียงอย่างเดียว และไม่มีการกำหนดเงื่อนไขอื่นใด ดังนั้นเฉพาะขั้นตอนที่สองเท่านั้นที่เป็นไปไม่ได้ที่นี่ เมื่อตามเงื่อนไข ระบบจะต้องกลับสู่สถานะเดิมแบบอะเดียแบติก กล่าวอีกนัยหนึ่ง

รัฐไม่สามารถเข้าถึงได้โดยทางอะเดียแบติกจากรัฐที่อยู่ใกล้ๆ 2.

หลักการของการไม่สามารถบรรลุได้แบบอะเดียแบติกหมายความว่ากระบวนการทางกายภาพที่แท้จริงเกือบทั้งหมดเกิดขึ้นจากการแลกเปลี่ยนความร้อน กระบวนการอะเดียแบติกเป็นข้อยกเว้นที่หาได้ยาก ถัดจากสถานะสมดุลแต่ละสถานะ ยังมีสภาวะอื่นๆ อีกมากมาย การเปลี่ยนแปลงไปสู่สภาวะที่จำเป็นต้องมีการแลกเปลี่ยนความร้อน และมีเพียงไม่กี่สถานะเท่านั้นที่สามารถเข้าถึงได้แบบอะเดียแบติก

จากสูตรข้างต้นของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ จึงเป็นไปได้ที่จะได้ผลลัพธ์ของคาร์โนต์เพื่อให้เครื่องยนต์ความร้อนมีประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ สำหรับการหมุนเวียนของเครื่องยนต์ความร้อนระหว่างเครื่องทำความร้อนที่มีอุณหภูมิคงที่กับตู้เย็นที่มีอุณหภูมิ ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพจะต้องไม่เกินค่า

ค่าสูงสุดที่กำหนดโดยสูตร (4) ทำได้โดยเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำวงจรแบบผันกลับได้ โดยไม่คำนึงถึงสิ่งที่ใช้เป็นของไหลทำงาน ข้อความนี้ ซึ่งมักเรียกว่าทฤษฎีบทของการ์โนต์ จะได้รับการพิสูจน์ด้านล่าง

วัฏจักรสามารถย้อนกลับได้หากประกอบด้วยกระบวนการที่สามารถย้อนกลับได้ กล่าวคือ กระบวนการที่สามารถดำเนินการไปในทิศทางใดก็ได้ผ่านห่วงโซ่สถานะสมดุลเดียวกัน

ข้าว. 59. วงจรการ์โนต์บนแผนภาพก๊าซในอุดมคติ

กระบวนการวงจรแบบย้อนกลับได้กระบวนการเดียวที่สามารถทำได้ระหว่างเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นที่อุณหภูมิคงที่คือสิ่งที่เรียกว่าวงจรการ์โนต์ ซึ่งประกอบด้วยไอโซเทอร์มสองตัวและอะเดียแบทสองตัว สำหรับก๊าซอุดมคติ วงจรดังกล่าวจะแสดงในรูป 59. ในส่วนที่ 1-2 ก๊าซมีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนและขยายตัวแบบไอโซเทอร์มอลโดยรับปริมาณความร้อนจากเครื่องทำความร้อน ในกรณีนี้ ก๊าซจะทำงานเชิงบวกเท่ากับความร้อนที่ได้รับ ในส่วนที่ 2-3 ก๊าซจะขยายตัวแบบอะเดียแบติกและในขณะเดียวกันอุณหภูมิก็ลดลงจากค่าเท่ากับอุณหภูมิของตู้เย็น งานที่ทำโดยแก๊สในส่วนนี้จะเท่ากับพลังงานภายในที่ลดลง ในส่วนถัดไปที่ 3-4 ก๊าซจะถูกบีบอัดด้วยความร้อน ในเวลาเดียวกันมันจะถ่ายเทความร้อนจำนวนเท่ากับงานที่ทำระหว่างการบีบอัดไปยังตู้เย็น ในส่วนที่ 4-1 ก๊าซจะถูกอัดแบบอะเดียแบติกจนเป็น

อุณหภูมิจะไม่สูงขึ้นตามค่า พลังงานภายในของก๊าซที่เพิ่มขึ้นจะเท่ากับการทำงานของแรงภายนอกที่เกิดขึ้นระหว่างการบีบอัดก๊าซ

วัฏจักรคาร์โนต์เป็นกระบวนการปิดเพียงกระบวนการเดียวที่สามารถดำเนินการในลักษณะย้อนกลับได้ ในความเป็นจริง กระบวนการอะเดียแบติกสามารถย้อนกลับได้หากดำเนินการช้าเพียงพอ นั่นคือ กึ่งคงที่ กระบวนการไอโซเทอร์มอลเป็นกระบวนการเดียวที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนความร้อนที่สามารถดำเนินการในลักษณะที่ผันกลับได้ ในกระบวนการอื่นใด อุณหภูมิของของไหลทำงานจะเปลี่ยนไปและตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ การแลกเปลี่ยนความร้อนกับเครื่องทำความร้อนหรือตู้เย็นไม่สามารถย้อนกลับได้: การแลกเปลี่ยนความร้อนเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิที่จำกัดนั้นอยู่ในลักษณะของความร้อนที่เข้าใกล้ สมดุลและไม่ใช่กระบวนการสมดุล

แน่นอนว่าการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยไม่มีความแตกต่างของอุณหภูมิจะเกิดขึ้นอย่างช้าๆ อย่างไม่มีที่สิ้นสุด ดังนั้น วัฏจักรการ์โนต์แบบพลิกกลับได้จะดำเนินต่อไปอย่างไม่มีกำหนด และกำลังของเครื่องยนต์ความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ ซึ่งกำหนดโดยสูตร (4) มีแนวโน้มเป็นศูนย์ กระบวนการในเครื่องจริงใดๆ จำเป็นต้องมีลิงก์ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ ดังนั้นประสิทธิภาพของเครื่องจึงน้อยกว่าขีดจำกัดทางทฤษฎีเสมอ (4)

เงื่อนไขในการได้งานสูงสุดการเปลี่ยนพลังงานภายในเป็นพลังงานกลตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ไม่สามารถดำเนินการได้อย่างสมบูรณ์ เพื่อที่จะแปลงพลังงานภายในส่วนที่เป็นไปได้สูงสุดให้เป็นพลังงานกล จำเป็นต้องใช้กระบวนการที่สามารถย้อนกลับได้โดยเฉพาะ เพื่ออธิบาย ให้พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้ ให้มีวัตถุบางอย่างที่ไม่อยู่ในสภาวะสมดุลความร้อนกับสิ่งแวดล้อม เช่น ก๊าซอุดมคติในกระบอกสูบที่มีลูกสูบซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิโดยรอบ T (รูปที่ 60) คุณจะได้งานจำนวนมากที่สุดได้อย่างไร โดยมีเงื่อนไขว่าในสถานะสุดท้ายก๊าซควรมีปริมาตรเท่ากับในสถานะเริ่มต้น

ข้าว. 60. สู่ประสิทธิภาพสูงสุด

หากอุณหภูมิของก๊าซเท่ากับอุณหภูมิโดยรอบ กล่าวคือ ก๊าซอยู่ในสมดุลทางความร้อนกับสิ่งแวดล้อม ก็จะไม่สามารถทำงานใดๆ ได้เลย การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเป็นพลังงานกลสามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะในกรณีที่สถานะเริ่มต้นของทั้งระบบไม่สมดุล

แต่ด้วยสถานะเริ่มต้นที่ไม่สมดุล การเปลี่ยนแปลงของระบบไปสู่สถานะสมดุลไม่จำเป็นต้องมาพร้อมกับการแปลงพลังงานภายในเป็นพลังงานกล ถ้าแค่เอาแก๊สเข้าไป.

การสัมผัสกับความร้อนกับสิ่งแวดล้อมป้องกันไม่ให้ขยายตัวก๊าซจะเย็นลงและจะไม่มีงานทำ ดังนั้นเพื่อให้สามารถปฏิบัติงานได้จึงจำเป็นต้องให้ก๊าซมีโอกาสขยายตัวโดยคำนึงว่าจะต้องถูกบีบอัดเนื่องจากตามเงื่อนไขในสถานะสุดท้ายก๊าซจะต้องครอบครอง ปริมาณเดียวกันกับในสถานะเริ่มต้น

เพื่อให้ได้งานสูงสุด การเปลี่ยนจากสถานะเริ่มต้นไปเป็นสถานะสุดท้ายจะต้องทำแบบย้อนกลับได้ และสามารถทำได้โดยใช้กระบวนการอะเดียแบติกและไอโซเทอร์มอลเท่านั้น ดังนั้น ก๊าซควรถูกขยายตัวแบบอะเดียแบติกจนกระทั่งอุณหภูมิของมันเท่ากับอุณหภูมิโดยรอบ T แล้วจึงบีบอัดแบบไอโซเทอร์มอลที่อุณหภูมินี้ให้เป็นปริมาตรเดิม (รูปที่ 61) งานที่ทำโดยแก๊สระหว่างการขยายตัวแบบอะเดียแบติก 1-2 ดังที่เห็นได้จากรูป จะมีค่ามากกว่างานที่ต้องทำกับแก๊สระหว่างการบีบอัดไอโซเทอร์มอล 2-3 งานสูงสุดที่สามารถรับได้ระหว่างการเปลี่ยนก๊าซจากสถานะ 1 เป็นสถานะ 3 เท่ากับพื้นที่ที่แรเงาในรูปที่ 1 61 สามเหลี่ยมโค้ง 1-2-3

รูปแบบการกระทำที่ศึกษาของเครื่องยนต์ความร้อนแบบพลิกกลับได้ช่วยให้เราพิจารณาหลักการทำงานของเครื่องทำความเย็นและปั๊มความร้อน ในเครื่องทำความเย็น กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม (เทียบกับเครื่องยนต์ความร้อน) (รูปที่ 62) เนื่องจากประสิทธิภาพของงานกล A ความร้อนจำนวนหนึ่งจึงถูกนำออกจากอ่างเก็บน้ำที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ในเวลาเดียวกัน ไปยังอ่างเก็บน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ซึ่งมักจะมีบทบาทโดยสภาพแวดล้อม ปริมาณความร้อนจะถูกถ่ายโอนเท่ากับผลรวม เนื่องจากความสามารถในการพลิกกลับของเครื่องที่ต้องการได้ ความสัมพันธ์จึงมีผล

ซึ่งตาม (4) ถือได้ว่าเป็นประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่สอดคล้องกัน

สำหรับเครื่องทำความเย็น สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือปริมาณความร้อนที่ถูกดึงออกจากถังเก็บความเย็น จาก (5) สำหรับเรามี

กราฟของการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยรอบ (สำหรับกระบวนการที่พลิกกลับได้) จะแสดงไว้ในรูปที่ 1 63. จะเห็นได้ว่าเมื่อนำความร้อนออกไปแล้ว แต่ที่อุณหภูมิต่างกันเล็กน้อย อัตราส่วนก็อาจมีค่ามากได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือประสิทธิภาพของเครื่องทำความเย็นในระยะใกล้

ค่าอาจมีขนาดใหญ่มากเนื่องจากปริมาณความร้อนที่ถูกดึงออกจากตัวระบายความร้อนอาจเกินงาน A อย่างมากซึ่งในเครื่องทำความเย็นจริงจะดำเนินการโดยคอมเพรสเซอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า

ในอุณหพลศาสตร์ทางเทคนิค เพื่อกำหนดลักษณะของเครื่องทำความเย็น จะใช้สิ่งที่เรียกว่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็น ซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของปริมาณความร้อนที่นำมาจากตัวทำความเย็นต่อการทำงานของแรงภายนอก

ต่างจากเครื่องยนต์ความร้อน (4) ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพสามารถรับค่าที่มากกว่าความสามัคคี

ข้าว. 61. กระบวนการรับงานสูงสุดบน -diagram

ข้าว. 62. แผนผังของเครื่องทำความเย็น

ในการติดตั้งภาคอุตสาหกรรมและในประเทศจริง และอื่นๆ ดังที่เห็นได้จาก (7) ยิ่งอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมและตัวทำความเย็นแตกต่างกันน้อยลง ค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ตอนนี้เรามาดูการทำงานของปั๊มความร้อน เช่น เครื่องทำความเย็นที่ทำงานเพื่อให้ความร้อนแก่อ่างเก็บน้ำร้อน (ห้องที่ให้ความร้อน) เนื่องจากความร้อนที่ถูกดึงออกจากอ่างเก็บน้ำเย็น (สภาพแวดล้อม) แผนภาพวงจรของปั๊มความร้อนจะเหมือนกับแผนภาพของเครื่องทำความเย็น (ดูรูปที่ 62) ต่างจากเครื่องทำความเย็นสำหรับปั๊มความร้อน ความสนใจในทางปฏิบัติไม่ใช่ปริมาณความร้อนที่ได้รับจากตัวทำความร้อน: คล้ายคลึงกับ (6) ที่เรามี

ในอุณหพลศาสตร์ทางเทคนิค เพื่อกำหนดลักษณะประสิทธิภาพของปั๊มความร้อน จึงมีการนำสิ่งที่เรียกว่าอีโทปสัมประสิทธิ์การทำความร้อนซึ่งเท่ากับ

สูตรที่กำหนด (7) และ (9) ใช้ได้กับเครื่องจักรแบบพลิกกลับได้ สำหรับเครื่องจักรจริง ซึ่งกระบวนการไม่สามารถย้อนกลับได้ทั้งหมดหรือบางส่วน สูตรเหล่านี้จะให้ค่าประมาณของค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็นและความร้อน

ดังนั้นเมื่อใช้ปั๊มความร้อน ห้องที่ให้ความร้อนจะได้รับความร้อนมากกว่าการให้ความร้อนโดยตรง W. Thomson ดึงความสนใจไปที่สถานการณ์นี้เมื่อเขาเสนอแนวคิดที่เรียกว่าการทำความร้อนแบบไดนามิกซึ่งประกอบด้วยสิ่งต่อไปนี้ ความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงไม่ได้ถูกใช้เพื่อให้ความร้อนแก่ห้องโดยตรง แต่ถูกส่งไปยังเครื่องยนต์ความร้อนเพื่อผลิตงานทางกล ด้วยงานนี้ ปั๊มความร้อนจะทำงานซึ่งจะทำให้ห้องร้อนขึ้น เมื่ออุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่างสภาพแวดล้อมและห้องอุ่นมีน้อย อุณหภูมิหลังจะได้รับความร้อนมากกว่าที่ปล่อยออกมาเมื่อเผาไหม้เชื้อเพลิงอย่างเห็นได้ชัด สิ่งนี้อาจดูขัดแย้งกัน

ในความเป็นจริง ไม่มีความขัดแย้งในปั๊มความร้อนและการทำความร้อนแบบไดนามิก ซึ่งจะชัดเจนอย่างสมบูรณ์หากเราใช้แนวคิดเรื่องคุณภาพของพลังงานภายใน คุณภาพของพลังงานภายในหมายถึงความสามารถในการแปรสภาพเป็นพลังงานประเภทอื่น ในแง่นี้พลังงานในรูปแบบเครื่องกลหรือแม่เหล็กไฟฟ้านั้นมีคุณภาพสูงสุดเนื่องจากสามารถแปลงเป็นพลังงานภายในได้อย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูมิใดก็ได้ สำหรับพลังงานภายในนั้น คุณภาพสูงขึ้น อุณหภูมิของร่างกายที่เก็บพลังงานก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย กระบวนการใดๆ ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ เช่น การถ่ายโอนความร้อนไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า จะทำให้พลังงานภายในลดค่าลงและคุณภาพลดลง ในกระบวนการย้อนกลับ คุณภาพพลังงานจะไม่ลดลง เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานทั้งหมดสามารถไปในทิศทางตรงกันข้ามได้

ด้วยวิธีทำความร้อนตามปกติความร้อนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาเมื่อเผาไหม้เชื้อเพลิงเมื่อทำความร้อนขดลวดด้วยกระแสไฟฟ้าหรือรับจากอ่างเก็บน้ำร้อน ฯลฯ จะผ่านเข้าไปในห้องในรูปของความร้อนในปริมาณเท่ากัน แต่ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งแสดงถึงค่าเสื่อมราคาเชิงคุณภาพของพลังงานภายใน ปั๊มความร้อนหรือระบบทำความร้อนแบบไดนามิกช่วยลดการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยตรงที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ระหว่างร่างกายที่อุณหภูมิต่างกัน

เมื่อปั๊มความร้อนหรือระบบทำความร้อนแบบไดนามิกทำงาน คุณภาพของพลังงานภายในที่ถ่ายโอนจากสิ่งแวดล้อมไปยังห้องที่ให้ความร้อนจะเพิ่มขึ้น ที่ความแตกต่างของอุณหภูมิเล็กน้อย เมื่อคุณภาพของพลังงานนี้ไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ปริมาณของพลังงานก็จะมากขึ้น ซึ่งอธิบายถึงประสิทธิภาพสูงของปั๊มความร้อนและการทำความร้อนแบบไดนามิกโดยทั่วไป

ยกตัวอย่างปรากฏการณ์ที่เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานแต่กลับไม่เคยพบเห็นในธรรมชาติเลย

พลังงานประเภทต่างๆ แตกต่างกันอย่างไร? อธิบายความแตกต่างนี้ด้วยตัวอย่าง

กระบวนการระบายความร้อนแบบพลิกกลับได้คืออะไร? ยกตัวอย่างกระบวนการที่ย้อนกลับได้และย้อนกลับไม่ได้

ข้อกำหนดอะไรบ้างที่ระบบทางกายภาพต้องเป็นไปตามเพื่อให้กระบวนการทางกลในระบบเกิดขึ้นแบบย้อนกลับได้? อธิบายว่าเหตุใดการเสียดสีและการกระจายพลังงานกลจึงทำให้กระบวนการทั้งหมดไม่สามารถย้อนกลับได้

ให้สูตรต่างๆ ของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ พิสูจน์ความเท่าเทียมกันของสูตรของคลอเซียสและทอมสัน

หลักการของ Carathéodory เกี่ยวข้องกับก๊าซในอุดมคติอย่างไร อธิบายคำตอบของคุณโดยใช้ -แผนภาพ เพื่อแสดงสถานะของคำตอบ

แสดงให้เห็นว่าความหมายทางกายภาพของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์คือการสร้างความเชื่อมโยงที่แยกไม่ออกระหว่างกระบวนการที่แท้จริงในธรรมชาติและการถ่ายเทความร้อนที่ไม่อาจย้อนกลับได้

กำหนดเงื่อนไขที่ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานในวงจรแบบผันกลับได้จะใกล้เคียงกับความสามัคคี

แสดงว่าวัฏจักรการ์โนต์เป็นกระบวนการเดียวที่สามารถย้อนกลับได้สำหรับเครื่องยนต์ที่ใช้แหล่งกักเก็บความร้อนสองแห่งที่อุณหภูมิคงที่

เมื่อพูดถึงเงื่อนไขในการได้งานสูงสุด ความดันบรรยากาศที่กระทำต่อลูกสูบจากภายนอกไม่ได้ถูกนำมาพิจารณาด้วย การคำนึงถึงแรงกดดันนี้จะส่งผลต่อเหตุผลข้างต้นและผลลัพธ์อย่างไร

ก๊าซในกระบอกสูบที่ปิดด้วยลูกสูบจะมีอุณหภูมิเท่ากับอากาศโดยรอบ แต่มีแรงดันสูงกว่า (หรือต่ำกว่า) ความดันในบรรยากาศ ควรดำเนินการกระบวนการใดกับแก๊สเพื่อให้ได้งานที่มีประโยชน์สูงสุดเนื่องจากระบบไม่สมดุล? วาดกระบวนการเหล่านี้บนแผนภาพ โดยสมมติว่าก๊าซในกระบอกสูบเหมาะสมที่สุด

ก๊าซในกระบอกสูบที่ปิดด้วยลูกสูบจะมีแรงดันเท่ากับอากาศโดยรอบ แต่มีอุณหภูมิสูงกว่า (หรือต่ำกว่า) ควรดำเนินการกระบวนการใดกับแก๊สเพื่อให้ได้งานที่มีประโยชน์สูงสุดเนื่องจากระบบไม่สมดุล? วาดมันลงบนแผนภาพ

พิจารณารูปแบบการทำความร้อนแบบไดนามิกที่แตกต่างกันสองแบบ โดยที่เครื่องยนต์ความร้อนถ่ายเทความร้อนไปยังสิ่งแวดล้อมหรือไปยังห้องที่ให้ความร้อน แสดงว่าในกรณีที่กระบวนการทั้งหมดสามารถย้อนกลับได้ ทั้งสองแบบแผนจะมีประสิทธิภาพเท่ากัน แบบแผนใดจะมีประสิทธิภาพมากกว่าในระบบจริง เมื่อกระบวนการไม่สามารถพิจารณาให้ย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์

พื้นฐานของอุณหพลศาสตร์คือกฎพื้นฐานของธรรมชาติซึ่งกำหนดขึ้นบนพื้นฐานของผลสรุปของการศึกษาทดลองและการค้นพบมากมาย กฎเหล่านี้ได้รับการยอมรับว่าเป็นสัจพจน์ ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับระบบอุณหพลศาสตร์ต่างๆ ซึ่งเรียกว่าหลักการและหรือกฎของอุณหพลศาสตร์นั้นได้รับมาในลักษณะที่เป็นตรรกะ

1.2.1. กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

แก่นแท้ของสัมบูรณ์ หนึ่งในกฎธรรมชาติทั่วไปที่สุด - กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงาน- ตามกฎหมายนี้ พลังงานของระบบปิดยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างกระบวนการใดๆ ที่เกิดขึ้นในระบบ ในกรณีนี้ พลังงานสามารถเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปอีกรูปแบบหนึ่งเท่านั้น

อันดับแรกกฎของอุณหพลศาสตร์เป็นกรณีพิเศษของกฎทั่วไปนี้และแสดงถึงการประยุกต์ใช้กับกระบวนการในระบบอุณหพลศาสตร์ มันสร้างความเป็นไปได้ในการแปลงพลังงานรูปแบบต่าง ๆ ให้เป็นกันและกันและกำหนดอัตราส่วนเชิงปริมาณที่จะดำเนินการเปลี่ยนแปลงร่วมกันเหล่านี้

การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบที่ไม่แยกตามอำเภอใจโดยทั่วไปสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากการแลกเปลี่ยนพลังงานสองรูปแบบเท่านั้น - ความร้อนและงาน:

∆อี = ถาม – ล , (1.12)

ที่ไหน ∆ อี– การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบ

ถาม– ความร้อนที่จ่ายให้กับระบบ

ล– งานที่ทำบนระบบ

ตามสมการ (1.12) การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบอุณหพลศาสตร์เป็นไปได้เนื่องจากความร้อนที่จ่ายให้กับระบบและงานที่ทำกับระบบ

สมการ (1.12) เป็นนิพจน์เชิงวิเคราะห์ทั่วไปของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ให้เราแสดงมันผ่านพารามิเตอร์ของสถานะระบบ การเปลี่ยนแปลงพลังงาน ∆ อี เราได้รับจากนิพจน์ (1.7):

∆อี = ∆ ฉัน + ม ( ).

สำหรับระบบทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งสามารถละเลยความแตกต่างของพลังงานจลน์ได้ การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบจะเท่ากับการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี กล่าวคือ อี = ∆ ฉัน. จากนั้นเมื่อคำนึงถึงนิพจน์ (1.11) และ (1.12) เราจะได้สมการของกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ในรูปแบบ:

ถาม = ∆ฉัน + ล เหล่านั้น (1.13)

ความร้อนที่จ่ายให้กับระบบจะเปลี่ยนเอนทาลปีของระบบและทำงานทางเทคนิคกับระบบ

ให้เราแทนที่การเปลี่ยนแปลงในเอนทาลปี ∆ ในสมการ (1.13) ฉันการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน D คุณและเมื่อใช้นิพจน์ (1.6) เราจะได้:

ถาม = ∆ คุณ+ ต่อ

(1.14)

สมการ (1.13) และ (1.14) แสดงถึงรูปแบบอินทิกรัลของการเขียนกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ฉันจากนิพจน์ (1.13) เป็นไปตามว่างานทางเทคนิคสามารถทำได้โดยระบบเทอร์โมไดนามิกส์โดยการลดเอนทาลปีและความร้อนที่ป้อนเข้า หากกระบวนการเป็นแบบวงกลม ดังนั้น ∆

= 0 ดังนั้นในเครื่องจักรที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง (ซึ่งกระบวนการเปลี่ยนสถานะเป็นแบบวงกลม) เพื่อให้ได้งานด้านเทคนิค เงื่อนไขที่จำเป็นคือการจ่ายความร้อน

การให้เหตุผลที่คล้ายกันสามารถดำเนินการได้โดยใช้สมการ (1.14)

ถาม = ลระบบอุณหพลศาสตร์สามารถขยายงานได้โดยการลดพลังงานภายในหรือเพิ่มความร้อนเท่านั้น หากเป็นผลมาจากกระบวนการนี้ พลังงานภายในของระบบไม่เปลี่ยนแปลง (เช่น อุณหภูมิในระบบไม่เปลี่ยนแปลง) ความร้อนทั้งหมดที่ระบบได้รับจากสิ่งแวดล้อมจะไปทำงาน:

ต่อ

นิพจน์นี้ช่วยให้เราสามารถกำหนดกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ได้ดังต่อไปนี้

เมื่อพลังงานภายในของระบบคงที่ ความร้อนและงานจะเท่ากัน

สันนิษฐานว่าเครื่องจักรการเคลื่อนที่ถาวรประเภทแรกควรทำงานบนสิ่งแวดล้อมโดยไม่ได้รับสิ่งใดจากเครื่องจักรนั้นเท่านั้น

จนถึงขณะนี้ มีการพิจารณาระบบมวลโดยพลการแล้ว สำหรับการวิเคราะห์จะสะดวกกว่าในการใช้ค่าที่ลดลงเหลือหน่วยมวลของสาร ให้เราเขียนสมการ (1.13) และ (1.14) สำหรับมวล 1 กิโลกรัม:

ถาม = ∆ ฉัน + ล เหล่านั้น ; (1.15)

ถาม = ∆ คุณ + ล แข่ง (1.16)

การใช้นิพจน์ (1.9) และ (1.11) เราเขียนสมการผลลัพธ์ในรูปแบบอนุพันธ์:

ดีคิว = ดิ - วีดีพี (1.17)

ดีคิว= ดู่ + พีดีวี (1.18)

สมการ (1.17) และ (1.18) เป็นการนำเสนอทางคณิตศาสตร์ประเภทหนึ่งของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ในรูปแบบเชิงอนุพันธ์

ความหมายของกฎข้อแรก:

ประการแรก เป็นหลักการของการออกแบบโรงไฟฟ้าและระบบไฟฟ้าพลังความร้อน

ประการที่สอง อธิบายสาระสำคัญทางกายภาพของกระบวนการที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์ความร้อน

ประการที่สาม มันถูกใช้ในการคำนวณกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ และช่วยให้สามารถประมาณสมดุลพลังงานของเครื่องยนต์ความร้อนได้

1.2.2. กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ซึ่งเป็นกรณีพิเศษของกฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานพิจารณาเฉพาะด้านปริมาณเท่านั้นซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบที่ทราบความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนและงานคือ แน่นอนอย่างเคร่งครัด กฎนี้ไม่ได้กำหนดทิศทางและความสมบูรณ์ของการถ่ายโอนพลังงานระหว่างร่างกาย ไม่ได้กำหนดเงื่อนไขที่เป็นไปได้ในการเปลี่ยนความร้อนเป็นงาน และไม่ได้แยกความแตกต่างระหว่างการเปลี่ยนแปลงทางตรงและทางกลับ หากเราดำเนินการจากกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เท่านั้น ก็ถือว่าถูกต้องตามกฎหมายที่จะถือว่ากระบวนการใด ๆ ที่เป็นไปได้ซึ่งไม่ขัดแย้งกับกฎการอนุรักษ์พลังงานนั้นโดยหลักการแล้วเป็นไปได้และสามารถเกิดขึ้นในธรรมชาติได้ คำตอบสำหรับคำถามที่ถามได้รับจาก ที่สองกฎของอุณหพลศาสตร์ซึ่งเป็นชุดของบทบัญญัติที่สรุปข้อมูลการทดลองในด้านคุณภาพของกฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงาน

คุณลักษณะที่หลากหลายของการเปลี่ยนแปลงความร้อนและงานร่วมกัน ตลอดจนแง่มุมต่างๆ ที่ใช้พิจารณาการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ อธิบายการมีอยู่ของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์หลายสูตรที่เทียบเท่ากันโดยพื้นฐานแล้ว

บทบัญญัติหลักของกฎหมายนี้แสดงโดยวิศวกรชาวฝรั่งเศส S. Carnot (1824) การ์โนต์ได้ข้อสรุปว่าในการเปลี่ยนความร้อนให้เป็นงาน จำเป็นต้องมีแหล่งความร้อนสองแห่งที่มีอุณหภูมิต่างกัน ชื่อ "กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์" และในอดีตเป็นสูตรแรก (พ.ศ. 2393) เป็นของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน R. Clausius:

“ความร้อนสามารถถ่ายเทจากร่างกายที่ร้อนไปสู่ร่างกายที่เย็นได้ด้วยตัวเองเท่านั้น สำหรับการเปลี่ยนผ่านแบบย้อนกลับจำเป็นต้องใช้เงินในการทำงาน”,

จากข้อความนี้ ตามมาว่าในการถ่ายเทความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่านั้น จำเป็นต้องจ่ายพลังงานจากแหล่งภายนอกในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง เช่น ในรูปของงาน ในทางตรงกันข้าม ความร้อนจากร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจะผ่านไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าได้เองโดยไม่ต้องใช้พลังงานใดๆ ทั้งสิ้น ซึ่งหมายความว่า การถ่ายเทความร้อนที่ความแตกต่างของอุณหภูมิอันจำกัดนั้นเป็นกระบวนการด้านเดียวอย่างเคร่งครัดและไม่สามารถย้อนกลับได้ และมุ่งตรงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เป็นรากฐานของทฤษฎีเครื่องยนต์ความร้อน เครื่องยนต์ความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่ทำงานอย่างต่อเนื่องซึ่งส่งผลให้มีการเปลี่ยนความร้อนเป็นงาน ดังนั้นการจะสร้างเครื่องจักรความร้อนที่ผลิตงานได้อย่างต่อเนื่อง สิ่งแรกเลยคือต้องมีร่างกายที่เป็นแหล่งพลังงานในรูปของความร้อน เรียกมันว่าแหล่งความร้อนกันดีกว่า .

จะต้องมีอีกร่างหนึ่งที่ได้รับตั้งแต่แรก

เอ่อ
พลังงานในรูปของความร้อนแต่ให้กลับในรูปของงาน นี่คืองานที่เรียกว่า สวัสดี โอ บทบาทของมันถูกเล่นโดยสื่อยืดหยุ่น (แก๊ส, ไอน้ำ) การจ่ายความร้อนและการแปลงเป็นงานจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงสถานะของของไหลทำงาน

ในรูป 1.6 เราแสดงการเปลี่ยนแปลงนี้ในเส้นโค้งตามเงื่อนไขของกระบวนการ 1-a-2 นี่คือพารามิเตอร์สถานะและเหนือสิ่งอื่นใดคือปริมาตรของของไหลทำงานซึ่งนำไปสู่การขยายงาน เพื่อให้ได้งานต่อเนื่อง ต้องคืนสารทำงานให้กลับสู่สถานะเดิมโดยใช้กระบวนการ 2-b-1 ดังนั้น

ข้าว. 1.6 การแปลงความร้อนเป็นงานอย่างต่อเนื่อง จะต้องดำเนินการเป็นวงกลมปิดนี้อย่างต่อเนื่อง

c e s s หรือ c i k l ตัวรับความร้อน เพื่อให้ตัวระบายความร้อนสามารถรับความร้อนได้จำนวนหนึ่ง อุณหภูมิของมันจะต้องต่ำกว่าอุณหภูมิของแหล่งความร้อน

จากผลลัพธ์ของวงจร 1-a-2-b-1 ดำเนินการในลักษณะนี้ ดังแสดงในรูปที่ 1 1.6 ความร้อนเพียงบางส่วนเท่านั้น ถาม 1 ที่ได้รับจากของไหลทำงานจากแหล่งความร้อนจะถูกแปลงเป็นงาน ในขณะที่อีกส่วนหนึ่งของความร้อนนี้ ถาม 2 ต้องมอบให้กับแผงระบายความร้อน

จุดเริ่มต้นของแบบฟอร์ม

ในรูปแบบการพิจารณาของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง สารทำงานชนิดเดียวกันนั้นมีส่วนเกี่ยวข้องอย่างต่อเนื่องในกระบวนการแบบวงกลม ในวัฏจักรของเครื่องยนต์จริง สารทำงานจะได้รับการต่ออายุเป็นระยะ เช่น แทนที่ด้วยสาร “สด” ในปริมาณที่เท่ากัน จากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์การเปลี่ยนสารทำงานถือได้ว่าเป็นการคืนสารทำงานกลับสู่สถานะเดิม

จบฟอร์ม

ดังนั้นในการแปลงความร้อนเป็นงานอย่างต่อเนื่องคุณต้องมี: แหล่งความร้อน สารทำงานและตัวระบายความร้อนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าแหล่งความร้อน การกำจัดความร้อนบางส่วนไปยังแผงระบายความร้อนถือเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน เงื่อนไขนี้ระบุไว้ในกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ตามสูตรต่อไปนี้:

“เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักรที่ทำงานเป็นระยะๆ โดยไม่ทำอะไรเลยนอกจากทำงานและทำให้แหล่งความร้อนเย็นลง” (W. Thomson)

“กระบวนการทางธรรมชาติทั้งหมดเป็นการเปลี่ยนแปลงจากสภาวะที่น่าจะเป็นไปได้น้อยไปสู่สภาวะที่น่าจะเป็นไปได้มากขึ้น” (L. Boltzmann)

“การนำเครื่องจักรการเคลื่อนที่ชั่วนิรันดร์ประเภทที่สองไปใช้งานนั้นเป็นไปไม่ได้”

(ดับเบิลยู. ออสวอลด์).

โดยเครื่องยนต์ "ถาวร" ประเภทที่สอง เราหมายถึงเครื่องยนต์ความร้อนที่สามารถทำงานต่อเนื่องโดยใช้แหล่งความร้อนเพียงแหล่งเดียว จากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เป็นไปตามว่าไม่ว่าระบบจะมีพลังงานความร้อนเท่าใด หากอุณหภูมิของร่างกายของระบบเท่ากัน พลังงานนี้ก็ไม่สามารถแปลงเป็นงานได้ ด้วยเหตุนี้ ความพยายามของนักประดิษฐ์เครื่องจักรเคลื่อนที่ "ต่อเนื่อง" หลายพันคนในการทำงานด้านการขยายจึงกลับไร้ผล

การกระจายพลังงานที่ได้รับจากแหล่งความร้อนในเครื่องยนต์ความร้อนจะแสดงเป็นแผนผังในรูปที่ 1 1.7. งานที่มีประโยชน์ซึ่งดำเนินการโดยมวลของไหลทำงาน 1 กิโลกรัมต่อรอบจะเท่ากับส่วนต่างในงานขยาย ลการขยายตัวและการบีบอัด ลสจ คือ

ล ทีเอส = ล ขยาย - ล สจ. (1.19)

ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างความร้อนและงานสำหรับของไหลทำงาน 1 กิโลกรัมในกระบวนการขยาย 1-a-2 และการบีบอัด 2-b-1

(ดูรูปที่ 1.6) ตามกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เราเขียนสมการต่อไปนี้:

ถาม 1 = ∆ คุณ 1- ก 2 + ล ขยายและ ถาม 2 = ∆ คุณ 2-บี-1 + ล ค และ ,

โดยที่ q 1 คือปริมาณความร้อนที่จ่ายให้กับของไหลทำงาน 1 กิโลกรัมจากแหล่งความร้อน

q 2 – ปริมาณความร้อนที่ถูกดึงออกมา

สารทำงาน 1 กิโลกรัมไปยังแผงระบายความร้อน

∆u 1- a -2 และ ∆u 2-b-1 – การเปลี่ยนแปลงภายใน

พลังงานของของไหลทำงานในกระบวนการ 1 กิโลกรัม 1.7

1-a-2 และ 2-b-1 ตามลำดับ

ลบสมการที่สองจากสมการแรกแล้วได้:

ถาม 1 – ถาม 2 = ∆ คุณ 1-เอ-2-บี-1 + (ล ขยาย – ล สจ ).

เนื่องจากสารทำงานกลับสู่สถานะเดิม การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระหว่างรอบจะเท่ากับศูนย์นั่นคือ ∆u 1-a-2-b-1 = 0 ด้วยเหตุนี้เมื่อคำนึงถึงนิพจน์บัญชี (1.19) เราได้รับ:

ล ทีเอส = ถาม 1 – ถาม 2 (1.20)

จาก (1.20) ตามมาว่า ประการแรก การทำงานของวงจรจะดำเนินการเนื่องจากความร้อนเท่านั้น และประการที่สอง การทำงานของวงจรเท่ากับความร้อนที่จ่ายจากแหล่งความร้อน ลบความร้อนที่ระบายไปยังแผงระบายความร้อน

ส่วนแบ่งของความร้อนที่ใช้อย่างมีประโยชน์ประเมินโดยความร้อน เค และ ม

ประสิทธิภาพของวงจรซึ่งแสดงโดย η t

ประสิทธิภาพเชิงความร้อนเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นอัตราส่วนของความร้อนที่ถูกแปลง

ห้องน้ำเข้าสู่งานที่มีประโยชน์ของวงจรกับความร้อนทั้งหมดที่ให้มา:

η ที =
หรือ η ที = 1 - . (1.21)

จากนิพจน์เหล่านี้จะตามมาว่ายิ่งถ่ายโอนความร้อนไปยังตัวรับความร้อนน้อยลง ค่าของ η t ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ซึ่งหมายความว่ามีการเปลี่ยนความร้อนไปเป็นงานอย่างสมบูรณ์มากขึ้น

เนื่องจากจำเป็นต้องถ่ายโอนพลังงานส่วนหนึ่งในรูปของความร้อนไปยังแผงระบายความร้อน ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจรใด ๆ จึงไม่เท่ากับความสามัคคี

ดังนั้นกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์จึงกำหนดความสมบูรณ์ของการแปลงความร้อนเป็นงาน

นอกจากนี้เขายังชี้ให้เห็นถึงความแตกต่างเชิงคุณภาพระหว่างความร้อนและการทำงาน หากงานสามารถเปลี่ยนเป็นความร้อนได้อย่างสมบูรณ์โดยไร้ร่องรอย ความร้อนก็ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นงานได้อย่างสมบูรณ์ .

ความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ที่ไม่เหมือนใครคือการแสดงออกของความแตกต่างเชิงคุณภาพด้วยปริมาณเชิงปริมาณ - เอนโทรปี

1.2.3.

“เอนโทรปี การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของกฎข้อที่สองอุณหพลศาสตร์ เอนโทรปี ” แปลจากภาษากรีกแปลว่า "เลี้ยว" หรือ "การเปลี่ยนแปลง" ในตอนแรก แนวคิดเรื่องเอนโทรปีถูกนำมาใช้ในวิทยาศาสตร์อย่างเป็นทางการ R. Clausius (1854) แสดงให้เห็นว่าสำหรับระบบเทอร์โมไดนามิกส์นั้นมีฟังก์ชันบางอย่าง

(1.22)

ส

ซึ่งการเพิ่มขึ้นจะถูกกำหนดโดยนิพจน์

เขาเรียกฟังก์ชันนี้ว่าเอนโทรปี ต่อมาเมื่อพิจารณาปัญหาจำนวนมาก เนื้อหาทางกายภาพของเอนโทรปีก็ถูกเปิดเผย ขยาย = เนื่องจากเอนโทรปีไม่ได้ให้ความสำคัญกับการนำเสนอตามสัญชาตญาณง่ายๆ เราจะพยายามทำให้ความหมายของมันชัดเจนขึ้นโดยเปรียบเทียบกับปริมาณที่ใกล้เคียงกันซึ่งเราเข้าใจได้ง่ายกว่า ให้เราเขียนนิพจน์สำหรับงานขยายในรูปแบบดิฟเฟอเรนเชียล: เดซิลิตร.

พี เนื่องจากเอนโทรปีไม่ได้ให้ความสำคัญกับการนำเสนอตามสัญชาตญาณง่ายๆ เราจะพยายามทำให้ความหมายของมันชัดเจนขึ้นโดยเปรียบเทียบกับปริมาณที่ใกล้เคียงกันซึ่งเราเข้าใจได้ง่ายกว่า ให้เราเขียนนิพจน์สำหรับงานขยายในรูปแบบดิฟเฟอเรนเชียล: ดีวี มีความกดดันที่นี่คือปริมาณ จำเป็น,เพื่อทำงาน การเปลี่ยนระดับเสียงจะนำไปสู่การขยายงาน ปริมาตรในสมการข้างต้นเป็นไปตามคุณสมบัติ เพียงพอพารามิเตอร์. ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะตัดสินว่างานขยายหรือบีบอัดนั้นทำได้โดยการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเท่านั้น

ทีนี้มาเขียนนิพจน์ (1.22) ในรูปแบบ:

ดีคิว = ต ดีเอส.

อุณหภูมิที่นี่คือปริมาณ มีความกดดันที่นี่แต่ยังไม่ใช่ เพียงพอเพื่อพูดคุยเกี่ยวกับความร้อนที่จ่ายให้กับระบบหรือถูกลบออกจากระบบ ดังนั้นในกระบวนการอะเดียแบติก ระบบจะไม่แลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม แต่อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ ยังคงมีพารามิเตอร์หนึ่งตัวที่ต้องมีคุณสมบัติ ความพอเพียงและพารามิเตอร์นี้คือเอนโทรปี มีเพียงการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีเท่านั้นที่สามารถตัดสินการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อมได้ จากที่นี่

เอนโทรปีเป็นพารามิเตอร์แคลอรี่ของสถานะของอุณหพลศาสตร์

ระบบใดซึ่งกำหนดลักษณะทิศทางของกระบวนการ

การแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างระบบกับสภาพแวดล้อมภายนอก

เราสามารถพูดได้ว่าเอนโทรปีเป็นปริมาณทางกายภาพเพียงชนิดเดียวที่การเปลี่ยนแปลงระหว่างกระบวนการแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่ามีการแลกเปลี่ยนพลังงานในรูปของความร้อน

นิพจน์ (1.22) สร้างความสัมพันธ์ทั้งเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณระหว่างความร้อนและเอนโทรปี: หากเอนโทรปีของร่างกายหรือระบบเปลี่ยนแปลงไป ในทั้งสองกรณีพลังงานจะถูกส่งไปในรูปของความร้อน ถ้าเอนโทรปีคงที่ กระบวนการก็จะดำเนินไปโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนพลังงานในรูปของความร้อน ความเท่าเทียมกัน (1.22) เป็นการแสดงออกทางการวิเคราะห์ของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สำหรับกระบวนการสมดุลเบื้องต้น

นิพจน์ (1.22) ทำให้สามารถสร้างหน่วยของเอนโทรปีได้ ซึ่งเท่ากับ J/K

ค่าสัมบูรณ์ของเอนโทรปีถูกกำหนดจนถึงค่าคงที่ที่แน่นอน เอนโทรปี 0 - ค่าตัวเลขของค่าคงที่ เอนโทรปี 0 ไม่สามารถกำหนดได้ตามกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์เท่านั้น อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้กำหนดข้อจำกัดในการใช้เอนโทรปีในการคำนวณ ในทางปฏิบัติตามกฎแล้วสิ่งที่น่าสนใจไม่ใช่ค่าสัมบูรณ์ของเอนโทรปี แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงซึ่งค่าตัวเลขของค่าคงที่ เอนโทรปี 0 ไม่ได้มีบทบาทพิเศษ ดังนั้นค่ามักจะได้รับค่าที่กำหนดเองสำหรับสถานะมาตรฐานของร่างกายที่ยอมรับตามอัตภาพ หากสถานะมาตรฐานนี้ถือเป็นสถานะเริ่มต้นและกำหนดค่าเอนโทรปีให้กับสถานะนั้น เอนโทรปี 0 แล้วจึงคำนวณเอนโทรปีในสถานะ กก็จะมีสำนวนที่ว่า

ค่าเอนโทรปีที่ลดลงจะแสดงด้วย ส = เอนโทรปี / ม มีหน่วย การวัด J/(กก.×K)

นิพจน์ (1.22) เขียนตามค่าที่กำหนดจะมีรูปแบบดังนี้

. (1.23)

เอนโทรปีเป็นพารามิเตอร์แคลอรี่ มีคุณสมบัติหลายประการ

1. เอนโทรปีเป็นฟังก์ชันเฉพาะของสถานะของระบบ

2. เอนโทรปีก็เหมือนกับพลังงานภายใน คือปริมาณบวก

.

3. สำหรับกระบวนการที่ย้อนกลับได้และไม่สามารถย้อนกลับได้ในระบบเทอร์โมไดนามิกส์

หัวข้อ การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีถูกกำหนดโดยสมการ:

, (1.24)

โดยที่เครื่องหมายเท่ากับหมายถึงกระบวนการที่ย้อนกลับได้ เครื่องหมายที่มากกว่าหมายถึงกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้

จากนิพจน์ (1.24) เอนโทรปีของระบบแยกเดี่ยวจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหรือเพิ่มขึ้น แต่ไม่ลดลง

1.2.4. ออกกำลังกาย

การแนะนำแนวคิดเรื่อง 'เอนโทรปี' ทำให้สามารถวัดปริมาณความแตกต่างเชิงคุณภาพระหว่างความร้อนและงานได้ สำหรับระบบที่มีน้ำหนัก 1 กิโลกรัม เราจะได้สมการที่รวมนิพจน์เชิงวิเคราะห์ของกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์ ดังนั้นจากนิพจน์ (1.23) และ (1.19) จึงเป็นดังนี้:

ดีเอส =
. (1.25)

จากความเท่าเทียมกัน (1.23) และ (1.18) เราได้รับ:

ดีเอส =
. (1.26)

สมการในรูปแบบ (1.25) และ (1.26) เรียกว่าเทอร์โมไดนามิกส์ ฉันไม่อยากทำอะไรเลย ด้วยความช่วยเหลือ คุณลักษณะต่างๆ ของระบบถูกสร้างขึ้นในอุณหพลศาสตร์ และความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณทางกายภาพในกระบวนการได้รับการเปิดเผยอย่างสมบูรณ์มากขึ้น

ด้วยการใช้สมการ (1.25) เรากำหนดจำนวนงานทางเทคนิคที่เป็นไปได้สูงสุดที่สามารถทำได้โดยระบบเทอร์โมไดนามิกส์ที่กำหนด ซึ่งอยู่ในสถานะเริ่มต้นที่กำหนด หากกระบวนการทั้งหมดที่ดำเนินการโดยระบบสามารถย้อนกลับได้และดำเนินการไปยังสถานะสุดท้าย ความสมดุลกับสิ่งแวดล้อม

ในอุณหพลศาสตร์ งานทางเทคนิคสูงสุดที่เป็นไปได้ของระบบเรียกว่า e x erg y .

แสดงถึงความพยายามของระบบผ่าน อี x . หน่วย SI ของการออกแรงคือจูล มันลดมูลค่าลง (จ x = อี x / ม) มีหน่วยวัด J/kg

ในระบบเทอร์โมไดนามิกส์แบบปิด เมื่อแปลงความร้อนเป็นงานตามวัฏจักรการ์โนต์ ก็สามารถทำได้ จ x = ล ทีเอส- จากนั้นเมื่อความร้อนถูกขจัดออกจากแหล่งที่มีอุณหภูมิ ต 1 สู่สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิ ต 0 มีสิทธิ์เขียน จ x = ถาม· เสื้อ = ถาม (1 - - ให้เราพิจารณาเงื่อนไขที่การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะให้งานที่เป็นไปได้สูงสุดในรอบอื่น

ปล่อยให้สถานะเริ่มต้นของระบบถูกกำหนดลักษณะโดยจุด ก, รูปที่. 1.8. เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม สถานะของระบบมีแนวโน้มที่จะสมดุล โดยระบุด้วยจุด โอกระบวนการ เอ-โอไม่มีอะไรมากไปกว่าการเปลี่ยนแปลงของระบบจากจุดเริ่มต้นไปสู่สภาวะสมดุล โปรดจำไว้ว่าอุณหภูมิโดยรอบ แม้จะมีปฏิสัมพันธ์กับระบบ ยังคงคงที่และเท่ากับ T0

โดยใช้สมการกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ของรูปแบบ (1.15) และรูปที่ 1.8

จ x = ถาม ก - และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: +(ฉัน 0 – ฉัน ก ). (1.27)

การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีไม่ได้ขึ้นอยู่กับลักษณะของกระบวนการ ดังนั้น หากทราบสถานะเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายของระบบ ก็เป็นไปได้ที่จะระบุผลต่างเอนทาลปีได้เสมอ ปริมาณความร้อนเป็นหน้าที่ของกระบวนการ เอ-โอ . เพื่อกำหนด ถาม ก - และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ:ลองใช้กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์กัน ถาม เห็นได้ชัดว่าปริมาณความร้อนที่สิ่งแวดล้อมได้รับพ ถาม เอ-โอเท่ากับปริมาณความร้อนที่ระบบถ่ายโอนสู่สิ่งแวดล้อม

ถาม เห็นได้ชัดว่าปริมาณความร้อนที่สิ่งแวดล้อมได้รับ = - ถาม ก - และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: (1.28)

, เช่น. ถาม ก - และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ:ปริมาณความร้อน ส และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: - และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ:- ก- ส กสัดส่วนกับพื้นที่ใต้เส้นโค้งกระบวนการ (รูปที่ 1.8 พื้นที่ ต = ต และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ:- สภาพแวดล้อมรับรู้ความร้อนในกระบวนการไอโซเทอร์มอลที่ - สถานะเริ่มต้นของกระบวนการนี้มีลักษณะเฉพาะที่จุดโอ - สถานะเริ่มต้นของกระบวนการนี้มีลักษณะเฉพาะที่จุด ′ ) และสุดท้าย (จุดที่ ส และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: - และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ:- และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: " - ส และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: / ควรจะเป็นเช่นนั้น ส และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: - และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ:- ก- ส ก .

ตาม (1.28) เท่ากับ pl

ดีคิว เห็นได้ชัดว่าปริมาณความร้อนที่สิ่งแวดล้อมได้รับ = ต และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: ดีเอส เห็นได้ชัดว่าปริมาณความร้อนที่สิ่งแวดล้อมได้รับ ,

เนื่องจากตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ - สถานะเริ่มต้นของกระบวนการนี้มีลักษณะเฉพาะที่จุด หลังจากรวมสำนวนนี้จากรัฐแล้ว ก ตรงประเด็น

ถาม จะมี: ซีพี 0 = ต 0" (ส ก -ส 0 = ต ก ) = ต 0 –ส 0 = ต 0 ′ ) + ต ก ). (1.29)

-ส

จ x = (ฉัน ก – ฉัน และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: ) – ต และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: (ส ก – ส และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: ) – ต และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: (ส และแทนที่งานด้านเทคนิคด้วยความพยายาม เราได้รับ: / - ส ก). (1.30)

จากนั้นเมื่อคำนึงถึง (1.28) นิพจน์ (1.27) จะถูกเขียน:

ข้อสรุปที่สำคัญหลายประการตามมาจากสมการ (1.30): ต 0 (ส 0/ - ส ก ) ≥ 0.

1. ในระบบที่มีกระบวนการที่ย้อนกลับได้ การออกแรงจะมากกว่าในระบบเดียวกันกับกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ เพราะ ส ก 2. ยิ่งค่าเอนโทรปีเริ่มต้นของระบบยิ่งมากขึ้น (ฉัน ก – ฉัน 0 ยิ่งทำงานได้น้อยลงเมื่อมีผลต่างเอนทาลปีคงที่

- ดังนั้นเอนโทรปีจึงกำหนดลักษณะพลังงานของระบบ

– กำหนดเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงรูปแบบการแลกเปลี่ยนพลังงานร่วมกันเช่นความร้อนและงาน

– สร้างความสมบูรณ์ของการแปลงความร้อนเป็นงาน

1.2.5 แนวคิดของกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ เมื่อศึกษาคุณสมบัติของสารต่างๆ ที่อุณหภูมิต่ำใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์(ท = 0) รูปแบบที่สำคัญถูกเปิดเผยในพฤติกรรมของวัตถุจริง:

ในพื้นที่ศูนย์สัมบูรณ์ เอนโทรปีของวัตถุในสภาวะสมดุลใด ๆ จะไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ปริมาตร และพารามิเตอร์อื่น ๆ ที่แสดงลักษณะของร่างกาย ผลลัพธ์นี้ซึ่งเป็นลักษณะทั่วไปของข้อมูลการทดลองจำนวนหนึ่งและไม่เป็นไปตามกฎข้อที่หนึ่งหรือที่สองของอุณหพลศาสตร์โดยตรง ถือเป็นเนื้อหา.

ทฤษฎีบทความร้อนของเนิร์สต์

W. Nernst โดยใช้ทฤษฎีควอนตัมของ M. Planck ได้ข้อสรุปว่า lim ∆s T → 0 = 0 (1.31)

จึงเป็นที่มาของกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์

ที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ เอนโทรปีของสารทั้งหมดในสภาวะสมดุล โดยไม่คำนึงถึงความดัน ความหนาแน่น และเฟส จะเป็นศูนย์

การแสดงออกเชิงวิเคราะห์ของกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์คือความเท่าเทียมกัน (1.31)

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์กำหนดเกณฑ์ที่ช่วยให้เราสามารถกำหนดทิศทางของกระบวนการที่เกิดขึ้นเองได้

เป็นธรรมชาติเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในระบบโดยไม่ต้องใช้พลังงานจากภายนอก

กระบวนการสามารถย้อนกลับได้และไม่สามารถย้อนกลับได้ กลับไม่ได้กระบวนการดำเนินไปอย่างเป็นธรรมชาติในทิศทางเดียวเท่านั้น หลังจากที่กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงในระบบและสภาพแวดล้อม จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะคืนทั้งระบบและสภาพแวดล้อมกลับสู่สถานะดั้งเดิมในเวลาเดียวกัน

กลับด้านได้เป็นกระบวนการที่ระบบและสภาพแวดล้อมสามารถกลับสู่สถานะเดิมได้

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์มีหลายสูตร ในเวอร์ชันที่เสนอโดยคลอสเซียส มีลักษณะดังนี้: การถ่ายโอนความร้อนจากร่างกายเย็นไปยังร่างกายร้อนโดยธรรมชาตินั้นเป็นไปไม่ได้

ความหมายทางกายภาพของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์คือ กระบวนการที่เกิดขึ้นเองใดๆ ดำเนินไปในทิศทางที่ระบบเคลื่อนจากสถานะที่น่าจะเป็นไปได้น้อยกว่าไปสู่สถานะที่น่าจะเป็นไปได้มากขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติจะได้รับการอำนวยความสะดวกโดยการเพิ่มขึ้นของความผิดปกติในระบบ

เพื่อกำหนดลักษณะการวัด ความผิดปกติใช้ฟังก์ชันทางอุณหพลศาสตร์ – เอนโทรปีเอสซึ่งเกี่ยวข้องกับ ความน่าจะเป็นทางอุณหพลศาสตร์ระบบที่ใช้สูตร Boltzmann:

S = klnW, (25)

โดยที่ k คือค่าคงที่ของ Boltzmann

ความน่าจะเป็นทางอุณหพลศาสตร์ W เป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นจำนวนสถานะทางกล้องจุลทรรศน์ที่น่าจะเป็นไปได้เท่ากัน โดยที่สถานะมหภาคที่กำหนดของระบบสามารถรับรู้ได้ ในการพิจารณาความน่าจะเป็นทางอุณหพลศาสตร์ของระบบ จำเป็นต้องค้นหาจำนวนตำแหน่งที่เป็นไปได้ที่แตกต่างกันของอนุภาคทั้งหมดของระบบในอวกาศ

เอนโทรปีเป็นการวัดเชิงปริมาณของความผิดปกติในระบบยิ่ง W มากเท่าไร ระบบก็จะยิ่งวุ่นวายมากขึ้นเท่านั้น ค่าเอนโทรปีก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย การให้ความร้อนแก่สารจะทำให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้น และการเย็นลงจะทำให้ค่าเอนโทรปีลดลง เมื่อเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ (-273ºС) เอนโทรปีมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ซึ่งทำให้สามารถกำหนดค่าสัมบูรณ์ของเอนโทรปีของสารต่าง ๆ ซึ่งค่าภายใต้เงื่อนไขมาตรฐานจะแสดงในตาราง ควรสังเกตว่าไม่เหมือนกับเอนทาลปีของการก่อตัว เอนโทรปีของสารอย่างง่ายแม้จะอยู่ในสถานะผลึกจะไม่เป็นศูนย์เพราะ ที่อุณหภูมิแตกต่างจากศูนย์สัมบูรณ์ Macrostate ของคริสตัลสามารถรับรู้ได้ไม่ใช่ด้วย Macrostate เดียว แต่ด้วยสถานะที่เป็นไปได้เท่าเทียมกันจำนวนมาก

อีกสูตรหนึ่งของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์มีลักษณะดังนี้: เอนโทรปีทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นในกระบวนการที่เกิดขึ้นเองเสมอ

การเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี ΔS ในระหว่างกระบวนการจะต้องเกินหรือเท่ากับอัตราส่วนของปริมาณความร้อน Q ที่ถ่ายโอนไปยังระบบต่ออุณหภูมิ T ที่ความร้อนถูกถ่ายโอน:

สมการ (26) คือสัญกรณ์ทางคณิตศาสตร์ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์- ในสมการนี้ เครื่องหมายอสมการหมายถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นเองแบบย้อนกลับไม่ได้ และเครื่องหมายเท่ากับหมายถึงกระบวนการที่ย้อนกลับได้

ตามสมการ (26) การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีระหว่างการเปลี่ยนผ่านของระบบจากสถานะ 1 เป็นสถานะ 2 สามารถกำหนดได้เป็น:

ΔS = ส 2 – ส 1 = . (27)

การเปลี่ยนเฟสพร้อมด้วยผลกระทบทางความร้อนที่เรียกว่า ความร้อนของการเปลี่ยนเฟสΔН f.p. และเป็นกระบวนการไอโซเทอร์มอล (T f.p. = const) สำหรับการเปลี่ยนเฟสของสารหนึ่งโมล การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีจะเท่ากับ:

ΔS f.p. - (28)

ในกระบวนการหลอมการระเหยของของเหลวหรือการระเหิดของสารเอนโทรปีจะเพิ่มขึ้นเมื่อตาข่ายคริสตัลที่ได้รับคำสั่งถูกทำลาย กระบวนการย้อนกลับ: การตกผลึก การควบแน่น การลดระเหิดจะมาพร้อมกับความผิดปกติของระบบที่ลดลง และด้วยเหตุนี้ เอนโทรปีจึงลดลง

ที่ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสารตั้งแต่ T 1 ถึง T 2 ที่ความดันคงที่ การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีถูกกำหนดโดยสูตร:

เนื่องจาก C p = const ดังนั้น

ΔS = С р · ln. (30)

สำหรับกระบวนการไอโซคอริก

ที่ C v = const

ΔS = С โวลต์ · ln (32)

เอนโทรปีมาตรฐานΔS คือเอนโทรปีของสาร 1 โมลภายใต้สภาวะมาตรฐาน การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีมาตรฐาน ΔS ในระหว่างปฏิกิริยาเคมีสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการตามกฎของเฮสส์:

รูปแบบที่วุ่นวายที่สุดของสารคือสถานะของก๊าซ ดังนั้นหากจำนวนโมลของก๊าซเพิ่มขึ้นเป็นผลจากปฏิกิริยาเคมี ความโกลาหลและเอนโทรปีของระบบก็จะเพิ่มขึ้น

โดยปกติแล้วจะไม่ใช่ค่าสัมบูรณ์ของเอนโทรปีที่กำหนด แต่เป็นการเปลี่ยนแปลง (S 2 - S 1) ในกระบวนการเฉพาะ ในการคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีเมื่อหนึ่งโมลของก๊าซในอุดมคติผ่านจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง จะใช้สูตร

กฎพื้นฐานของฟิสิกส์กฎข้อหนึ่งคือกฎของเอนโทรปีที่ไม่ลดลงในระบบแยก
สำหรับระบบที่มีอุณหภูมิคงที่จะมีฟังก์ชันสถานะ S - เอนโทรปีซึ่งกำหนดไว้ในลักษณะนั้น
1. การเปลี่ยนผ่านอะเดียแบติกจากสถานะสมดุล A ไปเป็นสถานะสมดุล B จะเกิดขึ้นได้เฉพาะเมื่อเท่านั้น

2. การเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีในกระบวนการกึ่งคงที่ที่ช้านั้นมีค่าเท่ากับ

โดยที่ T คืออุณหภูมิ
สูตรข้างต้นเป็นทางการมาก มีสูตรทางเลือกมากมายของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ตัวอย่างเช่น พลังค์เสนอสูตรต่อไปนี้:
เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักรที่หมุนเวียน ทำให้แหล่งความร้อนเย็นลง หรือยกของโดยไม่ก่อให้เกิดสาเหตุแต่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ ธรรมชาติ.

คอนสแตนติน คาราเธโอโดรี ให้สูตรที่เข้มงวดตามหลักสัจพจน์
ใกล้สถานะ 1 มีสถานะ 2 ดังกล่าวอยู่ การเปลี่ยนอะเดียแบติกจากสถานะ 1 เป็นสถานะ 2 เป็นไปไม่ได้

Boltzmann ได้กำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์จากมุมมองของฟิสิกส์เชิงสถิติ:
ธรรมชาติมีแนวโน้มที่จะย้ายจากสภาวะที่มีความน่าจะเป็นในการตระหนักรู้ที่ต่ำกว่า ไปยังรัฐที่มีความน่าจะเป็นในการตระหนักรู้ที่สูงกว่า

สูตรดังกล่าวเป็นเรื่องธรรมดา
เป็นไปไม่ได้ที่จะเป็นผู้ขับเคลื่อนแบบอื่นชั่วนิรันดร์.

เป็นไปไม่ได้ที่จะถ่ายเทความร้อนจากตัวเย็นไปยังตัวร้อนโดยไม่ใช้พลังงาน

ทุกระบบมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนจากลำดับไปสู่ความไม่เป็นระเบียบ

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ถูกกำหนดขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการออกแบบและสร้างเครื่องยนต์ความร้อนได้ถูกสร้างขึ้น การทดลองของเมเยอร์และจูลสร้างความเท่าเทียมกันระหว่างพลังงานความร้อนและพลังงานกล (กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์) เกิดคำถามเกี่ยวกับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน การศึกษาเชิงทดลองแสดงให้เห็นว่าความร้อนบางส่วนจำเป็นต้องสูญเสียไปในระหว่างการทำงานของเครื่องจักรใดๆ
ในคริสต์ทศวรรษ 1850 และ 1860 ซานตาคลอสได้พัฒนาแนวคิดเรื่องเอนโทรปีในสิ่งพิมพ์หลายฉบับ ในปีพ.ศ. 2408 ในที่สุดเขาก็ได้เลือกชื่อสำหรับแนวคิดใหม่นี้ สิ่งพิมพ์เหล่านี้ยังพิสูจน์ว่าความร้อนไม่สามารถแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์ได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นจึงกำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
Boltzmann ให้การตีความทางสถิติกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ โดยแนะนำคำจำกัดความใหม่สำหรับเอนโทรปี ซึ่งมีพื้นฐานอยู่บนแนวคิดอะตอมมิกด้วยกล้องจุลทรรศน์
ฟิสิกส์เชิงสถิตินำเสนอคำจำกัดความใหม่ของเอนโทรปี ซึ่งเมื่อมองแวบแรกจะแตกต่างจากคำจำกัดความของอุณหพลศาสตร์อย่างมาก ได้มาจากสูตร Boltzmann:

ที่ไหน? - จำนวนสถานะจุลทรรศน์ที่สอดคล้องกับสถานะมหภาคที่กำหนด เคบี- ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์
จากคำจำกัดความทางสถิติของเอนโทรปี เห็นได้ชัดว่าการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีสอดคล้องกับการเปลี่ยนไปสู่สถานะมหภาคซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าสูงสุดของสถานะจุลทรรศน์
หากสถานะเริ่มต้นของระบบอุณหพลศาสตร์ไม่มีความสมดุล เมื่อเวลาผ่านไป ระบบจะเคลื่อนไปสู่สถานะสมดุล ซึ่งจะทำให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้น กระบวนการนี้เกิดขึ้นในทิศทางเดียวเท่านั้น กระบวนการย้อนกลับ - การเปลี่ยนจากสถานะสมดุลไปเป็นสถานะไม่สมดุลเริ่มต้น - ไม่ได้เกิดขึ้นจริง นั่นคือกระแสของเวลาได้รับทิศทาง
กฎทางฟิสิกส์ที่อธิบายโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์นั้นไม่แปรผันภายใต้การแทนที่ t ด้วย -t ข้อความนี้เป็นจริงทั้งกฎของกลศาสตร์คลาสสิกและกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ในโลกจุลทรรศน์ แรงอนุรักษ์กระทำโดยไม่มีแรงเสียดทาน ซึ่งเป็นการสูญเสียพลังงาน กล่าวคือ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานประเภทอื่น ๆ ให้เป็นพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน และสิ่งนี้จะเกี่ยวข้องกับกฎของเอนโทรปีที่ไม่ลดลง
ตัวอย่างเช่น ลองนึกภาพก๊าซในอ่างเก็บน้ำที่วางอยู่ในอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ หากคุณเปิดวาล์วของถังขนาดเล็ก ก๊าซจะเติมลงในถังขนาดใหญ่ในที่สุดเพื่อให้ความหนาแน่นเท่ากัน ตามกฎของโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์ กระบวนการย้อนกลับก็มีเช่นกัน เมื่อก๊าซจากแหล่งกักเก็บขนาดใหญ่ถูกรวบรวมไว้ในภาชนะขนาดเล็ก แต่ในโลกที่กว้างใหญ่สิ่งนี้ไม่เคยเกิดขึ้น
หากเอนโทรปีของระบบแยกแต่ละระบบเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป และจักรวาลเป็นระบบที่แยกเดี่ยว สักวันหนึ่งเอนโทรปีจะไปถึงระดับสูงสุด หลังจากนั้นการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในระบบก็จะเป็นไปไม่ได้
ข้อควรพิจารณาดังกล่าวซึ่งเกิดขึ้นหลังจากการสถาปนากฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เรียกว่า ความตายอันร้อนแรงสมมติฐานนี้ถูกถกเถียงกันอย่างกว้างขวางในศตวรรษที่ 19
ทุกกระบวนการในโลกนำไปสู่การสลายพลังงานส่วนหนึ่งและเปลี่ยนเป็นความร้อน นำไปสู่ความผิดปกติที่มากขึ้น แน่นอนว่าจักรวาลของเรายังอายุน้อยอยู่ กระบวนการเทอร์โมนิวเคลียร์ในดวงดาวทำให้เกิดการไหลเวียนของพลังงานสู่โลกอย่างต่อเนื่อง เป็นต้น โลกเป็นและจะยังคงเป็นระบบเปิดเป็นเวลานาน ซึ่งได้รับพลังงานจากแหล่งต่างๆ เช่น จากดวงอาทิตย์ จากกระบวนการสลายกัมมันตรังสีในแกนกลาง เป็นต้น ในระบบเปิด เอนโทรปีอาจลดลง ซึ่งนำไปสู่การเกิดขึ้นของ โครงสร้างที่สะดวกสบายหลากหลาย