आदर्श थर्मोडायनामिक कार्नोट चक्र और उसके गुण। कार्नोट चक्र. एन्ट्रापी. ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम. क्लॉसियस के अनुसार एन्ट्रॉपी

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम - भौतिक सिद्धांत, जो निकायों के बीच गर्मी हस्तांतरण प्रक्रियाओं की दिशा पर प्रतिबंध लगाता है। ऊष्मागतिकी का दूसरा नियमबताता है कि कम गर्म वस्तु से अधिक गर्म वस्तु में ऊष्मा का सहज स्थानांतरण असंभव है। थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम दूसरी तरह की तथाकथित सतत गति मशीनों को प्रतिबंधित करता है, यह दर्शाता है कि दक्षता एकता के बराबर नहीं हो सकती है, क्योंकि एक गोलाकार प्रक्रिया के लिए रेफ्रिजरेटर का तापमान 0 के बराबर नहीं होना चाहिए। थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम एक अभिधारणा है जिसे ऊष्मागतिकी के ढांचे के भीतर सिद्ध नहीं किया जा सकता है। इसे प्रायोगिक तथ्यों के सामान्यीकरण के आधार पर बनाया गया था और इसे कई प्रयोगात्मक पुष्टियाँ प्राप्त हुईं। ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के कई समतुल्य सूत्रीकरण हैं:

क्लॉसियस का अभिधारणा: "एक प्रक्रिया असंभव है, जिसका एकमात्र परिणाम ठंडे शरीर से गर्म शरीर में गर्मी का स्थानांतरण होगा" (इस प्रक्रिया को क्लॉसियस प्रक्रिया कहा जाता है)।

थॉमसन का अभिधारणा(केल्विन): "एक गोलाकार प्रक्रिया असंभव है, जिसका एकमात्र परिणाम तापीय भंडार को ठंडा करके कार्य का उत्पादन होगा" (इस प्रक्रिया को थॉमसन प्रक्रिया कहा जाता है)।

इन फॉर्मूलेशन की समानता दिखाना आसान है। वास्तव में, आइए मान लें कि क्लॉसियस का अभिधारणा गलत है, यानी, एक ऐसी प्रक्रिया है जिसका एकमात्र परिणाम ठंडे शरीर से गर्म शरीर में गर्मी का स्थानांतरण होगा। फिर हम अलग-अलग तापमान वाले दो पिंड (हीटर और रेफ्रिजरेटर) लेते हैं और ताप इंजन के कई चक्र चलाते हैं, हीटर से गर्मी Q1 लेते हैं, रेफ्रिजरेटर को Q2 देते हैं और काम A = Q1 - Q2 करते हैं। इसके बाद, हम क्लॉसियस प्रक्रिया का उपयोग करेंगे और रेफ्रिजरेटर से हीटर तक गर्मी Q2 लौटाएंगे। परिणामस्वरूप, यह पता चलता है कि हमने केवल हीटर से गर्मी निकालकर काम किया है, यानी थॉमसन का अभिधारणा भी गलत है। दूसरी ओर, मान लीजिए कि थॉमसन की अभिधारणा झूठी है। फिर आप ठंडे शरीर से कुछ गर्मी निकाल सकते हैं और इसे यांत्रिक कार्य में बदल सकते हैं। इस कार्य को ऊष्मा में परिवर्तित किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, घर्षण द्वारा, किसी गर्म वस्तु को गर्म करके। इसका मतलब यह है कि थॉमसन की अभिधारणा की गलतता से यह निष्कर्ष निकलता है कि क्लॉसियस की अभिधारणा गलत है। इस प्रकार, क्लॉज़ियस और थॉमसन की अभिधारणाएँ समतुल्य हैं.

अन्य ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का सूत्रीकरण एन्ट्रापी की अवधारणा पर आधारित है:

"एक पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी कम नहीं हो सकती" (न घटने वाली एन्ट्रापी का नियम)।

यह सूत्रीकरण सिस्टम की स्थिति के एक कार्य के रूप में एन्ट्रापी के विचार पर आधारित है, जिसे भी माना जाना चाहिए।

अधिकतम एन्ट्रापी वाले राज्य में, मैक्रोस्कोपिक अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं (और क्लॉसियस अभिधारणा के कारण गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया हमेशा अपरिवर्तनीय होती है) असंभव है।

कार्नोट चक्र- आदर्श थर्मोडायनामिक चक्र। इस चक्र में चलने वाले एक कार्नोट ताप इंजन में सभी मशीनों की तुलना में उच्चतम दक्षता होती है, जिसमें चल रहे चक्र का अधिकतम और न्यूनतम तापमान क्रमशः कार्नोट चक्र के अधिकतम और न्यूनतम तापमान के साथ मेल खाता है। इसमें 2 रुद्धोष्म और 2 इज़ोटेर्मल प्रक्रियाएं शामिल हैं।

कार्नोट चक्र के महत्वपूर्ण गुणों में से एक इसकी उत्क्रमणीयता है: इसे आगे और पीछे दोनों दिशाओं में किया जा सकता है, जबकि रुद्धोष्म रूप से पृथक (पर्यावरण के साथ ताप विनिमय के बिना) प्रणाली की एन्ट्रापी नहीं बदलती है।

बता दें कि ऊष्मा इंजन में TH तापमान वाला एक हीटर, TX तापमान वाला एक रेफ्रिजरेटर और एक कार्यशील तरल पदार्थ होता है।

कार्नोट चक्र में चार चरण होते हैं:

इज़ोटेर्माल विस्तार. प्रक्रिया की शुरुआत में, कार्यशील द्रव का तापमान TH होता है, अर्थात हीटर का तापमान। फिर शरीर को एक हीटर के संपर्क में लाया जाता है, जो ऊष्मा QH की मात्रा को समतापीय रूप से (स्थिर तापमान पर) स्थानांतरित करता है। इसी समय, कार्यशील द्रव की मात्रा बढ़ जाती है।

रुद्धोष्म (आइसेनट्रोपिक) विस्तार। कार्यशील द्रव हीटर से अलग हो जाता है और पर्यावरण के साथ ताप विनिमय के बिना फैलता रहता है। साथ ही इसका तापमान रेफ्रिजरेटर के तापमान के बराबर कम हो जाता है।

इज़ोटेर्माल संपीड़न. कार्यशील द्रव, जिसका उस समय तक तापमान TX होता है, को रेफ्रिजरेटर के संपर्क में लाया जाता है और इज़ोटेर्मली रूप से संपीड़ित करना शुरू कर देता है, जिससे रेफ्रिजरेटर को गर्मी QX की मात्रा मिलती है।

रुद्धोष्म (आइसेनट्रोपिक) संपीड़न। कार्यशील द्रव को रेफ्रिजरेटर से अलग कर दिया जाता है और पर्यावरण के साथ ताप विनिमय के बिना संपीड़ित किया जाता है। साथ ही इसका तापमान हीटर के तापमान तक बढ़ जाता है।

इज़ोटेर्मल प्रक्रियाओं के दौरान, तापमान स्थिर रहता है; रुद्धोष्म प्रक्रियाओं के दौरान, कोई ताप विनिमय नहीं होता है, जिसका अर्थ है कि एन्ट्रापी संरक्षित है (चूंकि δQ = 0 पर)।

इसलिए, टी और एस निर्देशांक (तापमान और एन्ट्रापी) में कार्नोट चक्र का प्रतिनिधित्व करना सुविधाजनक है।

यहाँ से ताप इंजन दक्षताकार्नोट बराबर है.

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम- ऊष्मा अनायास कम गर्म वस्तु से अधिक गर्म वस्तु में स्थानांतरित नहीं हो सकती। ऊष्मा का तात्पर्य शरीर की आंतरिक ऊर्जा से है।

दो थर्मल जलाशयों से संपर्क करने में सक्षम प्रणाली पर विचार करें। टैंक का तापमान (हीटर)और (फ़्रिज).. प्रारंभिक अवस्था (आइटम 1) में, सिस्टम का तापमान है। आइए इसे हीटर के साथ थर्मल संपर्क में लाएं और, दबाव को अर्ध-स्थैतिक रूप से कम करके, वॉल्यूम बढ़ाएं।

सिस्टम समान तापमान वाली स्थिति में बदल गया, लेकिन बड़ी मात्रा और कम दबाव (स्थिति 2) के साथ। उसी समय, सिस्टम ने काम किया, और हीटर ने इसमें गर्मी की मात्रा स्थानांतरित कर दी। इसके बाद, हम हीटर को हटा देते हैं और अर्ध-स्थैतिक रूप से एडियाबेटिक रूप से सिस्टम को तापमान (आइटम 3) वाली स्थिति में स्थानांतरित करते हैं। इस स्थिति में, सिस्टम कार्य करेगा. फिर हम सिस्टम को रेफ्रिजरेटर के संपर्क में लाते हैं और सिस्टम का वॉल्यूम स्थिर रूप से कम कर देते हैं। सिस्टम जितनी गर्मी छोड़ेगा वह रेफ्रिजरेटर द्वारा अवशोषित की जाएगी - इसका तापमान वही रहेगा। सिस्टम पर काम किया गया है (या सिस्टम ने नकारात्मक काम किया है -)। सिस्टम की स्थिति (आइटम 4) का चयन इस तरह किया जाता है कि एडियाबेटिक्स द्वारा सिस्टम को उसकी मूल स्थिति (आइटम 1) में वापस लाना संभव हो। इस स्थिति में, सिस्टम नकारात्मक कार्य करेगा. सिस्टम अपनी मूल स्थिति में लौट आया, फिर चक्र के बाद आंतरिक ऊर्जा वही रही, लेकिन सिस्टम द्वारा काम किया गया। इससे यह पता चलता है कि काम के दौरान ऊर्जा में परिवर्तन की भरपाई हीटर और रेफ्रिजरेटर द्वारा की गई थी। मतलब , गर्मी की वह मात्रा है जो काम करने में खर्च हुई। क्षमता (दक्षता) सूत्र द्वारा निर्धारित की जाती है:

.

यह इस प्रकार है कि ।

कार्नोट का प्रमेय बताता है कार्नोट चक्र के अनुसार चलने वाले ताप इंजन का दक्षता गुणांक केवल हीटर और रेफ्रिजरेटर दोनों के तापमान पर निर्भर करता है, लेकिन मशीन के डिजाइन के साथ-साथ काम करने वाले पदार्थ के प्रकार पर भी निर्भर नहीं करता है।

कार्नोट का दूसरा प्रमेय पढ़ता है: किसी भी ऊष्मा इंजन का दक्षता गुणांक हीटर और रेफ्रिजरेटर के समान तापमान पर कार्नोट चक्र के अनुसार चलने वाली एक आदर्श मशीन के दक्षता गुणांक से अधिक नहीं हो सकता है।

क्लाउसियस असमानता:

यह दर्शाता है कि एक वृत्ताकार प्रक्रिया के दौरान सिस्टम को प्राप्त होने वाली ऊष्मा की मात्रा, उस निरपेक्ष तापमान से संबंधित होती है जिस पर प्रक्रिया हुई, एक गैर-सकारात्मक मात्रा है। यदि प्रक्रिया अर्ध-स्थैतिक है, तो असमानता समानता में बदल जाती है:

इसका मतलब यह है कि किसी भी अर्ध-स्थैतिक परिपत्र प्रक्रिया के दौरान सिस्टम द्वारा प्राप्त गर्मी की कम मात्रा शून्य के बराबर है .

- अनंत रूप से प्राप्त ऊष्मा की प्राथमिक रूप से कम मात्रा

छोटी प्रक्रिया.

– अंतिम में प्राप्त ऊष्मा की प्राथमिक रूप से कम मात्रा

प्रक्रिया।

सिस्टम की एन्ट्रापी वहाँ है इसकी स्थिति का एक कार्य, एक मनमाना स्थिरांक तक परिभाषित।

एन्ट्रॉपी अंतर दो संतुलन अवस्थाओं में और, परिभाषा के अनुसार, यह गर्मी की कम मात्रा के बराबर है जिसे किसी अर्ध-स्थैतिक पथ के साथ एक राज्य से दूसरे राज्य में स्थानांतरित करने के लिए सिस्टम को प्रदान किया जाना चाहिए।

एन्ट्रापी को फ़ंक्शन द्वारा व्यक्त किया जाता है:

.

आइए मान लें कि सिस्टम पथ के साथ एक संतुलन स्थिति से एक संतुलन स्थिति में संक्रमण करता है, और संक्रमण अपरिवर्तनीय (छायांकित रेखा) है। एक अर्ध-स्थैतिक प्रणाली को दूसरे पथ के माध्यम से उसकी मूल स्थिति में लौटाया जा सकता है। क्लॉज़ियस असमानता के आधार पर, हम लिख सकते हैं:

वृत्ताकार प्रक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें एक गैस, कई अवस्थाओं से गुज़रकर, अपनी मूल स्थिति में लौट आती है।
यदि पी-वी आरेख पर वृत्ताकार प्रक्रिया दक्षिणावर्त चलती है, तो हीटर से प्राप्त तापीय ऊर्जा का कुछ भाग कार्य में परिवर्तित हो जाता है। ऊष्मा इंजन इसी प्रकार काम करता है।
यदि पी-वी आरेख पर वृत्ताकार प्रक्रिया वामावर्त दिशा में आगे बढ़ती है, तो बाहरी बल के कार्य के कारण तापीय ऊर्जा रेफ्रिजरेटर (कम तापमान वाला शरीर) से हीटर (उच्च तापमान वाला शरीर) में स्थानांतरित हो जाती है। इस प्रकार एक प्रशीतन मशीन काम करती है।

कार्नोट चक्र- उत्तम थर्मोडायनामिक चक्र. कार्नोट ताप इंजन, इस चक्र पर काम करते हुए, अधिकतम है क्षमताउन सभी मशीनों का, जिनमें चल रहे चक्र का अधिकतम और न्यूनतम तापमान क्रमशः कार्नोट चक्र के अधिकतम और न्यूनतम तापमान से मेल खाता है। 2 से मिलकर बनता है स्थिरोष्मऔर 2 इज़ोटेर्मल प्रक्रियाएं.

कार्नोट साइकिल का नाम फ्रांसीसी सैन्य इंजीनियर के नाम पर रखा गया है सादी कार्नोट, जिसने सबसे पहले इसका अध्ययन किया था 1824.

कार्नोट चक्र का एक महत्वपूर्ण गुण इसकी उत्क्रमणीयता है: इसे आगे और पीछे दोनों दिशाओं में चलाया जा सकता है, जबकि एन्ट्रोपियाडायबेटिकलीएक पृथक (पर्यावरण के साथ ऊष्मा विनिमय के बिना) प्रणाली नहीं बदलती।

कार्नोट चक्र में चार चरण होते हैं: 1. इज़ोटेर्माल विस्तार(चित्र में - प्रक्रिया A→B)। प्रक्रिया की शुरुआत में, काम करने वाले तरल पदार्थ का तापमान होता है, यानी हीटर का तापमान। फिर शरीर को एक हीटर के संपर्क में लाया जाता है, जो आइसोथर्मली (स्थिर तापमान पर) इसे स्थानांतरित करता है ऊष्मा की मात्रा. इसी समय, कार्यशील द्रव की मात्रा बढ़ जाती है। 2. रुद्धोष्म (आइसेनट्रोपिक) विस्तार(चित्र में - प्रक्रिया B→C)। कार्यशील द्रव हीटर से अलग हो जाता है और पर्यावरण के साथ ताप विनिमय के बिना फैलता रहता है। साथ ही इसका तापमान रेफ्रिजरेटर के तापमान के बराबर कम हो जाता है। 3. इज़ोटेर्माल संपीड़न(चित्र में - प्रक्रिया B→G)। कार्यशील तरल पदार्थ, जिसका उस समय तक तापमान होता है, को रेफ्रिजरेटर के संपर्क में लाया जाता है और इज़ोटेर्मली रूप से संपीड़ित करना शुरू कर देता है, जिससे रेफ्रिजरेटर को कुछ मात्रा में गर्मी मिलती है। 4. रुद्धोष्म (आइसेनट्रोपिक) संपीड़न(चित्र में - प्रक्रिया G→A)। कार्यशील द्रव को रेफ्रिजरेटर से अलग कर दिया जाता है और पर्यावरण के साथ ताप विनिमय के बिना संपीड़ित किया जाता है। साथ ही इसका तापमान हीटर के तापमान तक बढ़ जाता है।

किसी पदार्थ द्वारा प्रति इकाई किये गये कार्य की गणना कार्नोट चक्रहीटर और रेफ्रिजरेटर से लगातार असमान तापमान T1 और T2 पर, गणना का उपयोग करके गणना की जा सकती है:

ए = क्यू1 - क्यू2 = (टी1-टी2/टी1) *क्यू1यह कार्य मात्रात्मक रूप से क्षेत्र एबीसीडी के बराबर है जिसमें इज़ोटेर्म और एडियाबेट्स के रूप में सीमा खंड हैं, जो इस चक्र का निर्माण करते हैं।

कार्नोट का प्रमेय (व्युत्पत्ति के साथ)।

समय-समय पर चलने वाले सभी ऊष्मा इंजनों में, जिनमें हीटर T1 और रेफ्रिजरेटर T2 का तापमान समान होता है, प्रतिवर्ती मशीनों की दक्षता सबसे अधिक होती है। इस मामले में, हीटर और रेफ्रिजरेटर के समान तापमान पर चलने वाली प्रतिवर्ती मशीनों की दक्षता एक दूसरे के बराबर होती है और काम करने वाले तरल पदार्थ की प्रकृति पर निर्भर नहीं होती है, बल्कि केवल हीटर और रेफ्रिजरेटर के तापमान से निर्धारित होती है।
कार्य चक्र बनाने के लिए, यह प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं का उपयोग करता है। उदाहरण के लिए, कार्नोट चक्र में दो इज़ोटेर्म (1-2, 2-4) और दो एडियाबेट्स (2-3, 4-1) होते हैं, जिसमें गर्मी और आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन पूरी तरह से कार्य में परिवर्तित हो जाते हैं (चित्र 19) .

चावल। 19. कार्नोट चक्र

चक्र में एन्ट्रापी में कुल परिवर्तन: ΔS=ΔS 12 +ΔS 23 +ΔS 34 +ΔS 41।
चूँकि हम केवल प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं पर विचार कर रहे हैं, एन्ट्रापी में कुल परिवर्तन ΔS=0 है।
कार्नोट चक्र में लगातार थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं:

संतुलन चक्र में एन्ट्रापी में कुल परिवर्तन: ΔS=(|Q 1 |/T 1)+0-(|Q 2 |/T 2)+0=0⇒T 2 /T 1 =|Q 2 ||/| प्रश्न 1 | ,

इसलिए: η अधिकतम =1-(टी 2 /टी 1) - ताप इंजन की अधिकतम दक्षता।
नतीजे:
1. कार्नोट चक्र की दक्षता कार्यशील द्रव के प्रकार पर निर्भर नहीं करती है।
2. दक्षता केवल हीटर और रेफ्रिजरेटर के बीच तापमान के अंतर से निर्धारित होती है।
3. एक आदर्श ताप इंजन के लिए भी दक्षता 100% नहीं हो सकती, क्योंकि इस मामले में रेफ्रिजरेटर का तापमान टी 2 = 0 होना चाहिए, जो क्वांटम यांत्रिकी के नियमों और थर्मोडायनामिक्स के तीसरे नियम द्वारा निषिद्ध है।
4. तापमान अंतर के बिना थर्मल संतुलन में काम करने वाली दूसरी तरह की सतत गति मशीन बनाना असंभव है, यानी। टी 2 =टी 1 पर, चूँकि इस मामले में η अधिकतम =0।

द्वितीय ऊष्मागतिकी की शुरुआत।

ऊष्मागतिकी का पहला नियम, ऊर्जा के संरक्षण और परिवर्तन के नियम को व्यक्त करते हुए, हमें ऊष्मागतिकी प्रक्रियाओं की दिशा स्थापित करने की अनुमति नहीं देता है। इसके अलावा, ऐसी कई प्रक्रियाओं की कल्पना करना संभव है जो पहले सिद्धांत का खंडन नहीं करती हैं, जिसमें ऊर्जा संरक्षित होती है, लेकिन प्रकृति में वे घटित नहीं होती हैं। ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का उद्भव इस प्रश्न का उत्तर देने की आवश्यकता से जुड़ा है कि प्रकृति में कौन सी प्रक्रियाएँ संभव हैं और कौन सी नहीं। थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं की दिशा निर्धारित करता है।

एन्ट्रापी और क्लॉसियस असमानता की अवधारणा का उपयोग करते हुए, ऊष्मागतिकी का दूसरा नियमतैयार किया जा सकता है बढ़ती एन्ट्रापी के नियम के रूप मेंअपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के साथ बंद प्रणाली: किसी बंद सिस्टम में कोई भी अपरिवर्तनीय प्रक्रिया इस तरह से होती है कि सिस्टम की एन्ट्रापी बढ़ जाती है।

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का अधिक संक्षिप्त सूत्रीकरण दिया जा सकता है: एक बंद प्रणाली में होने वाली प्रक्रियाओं में, एन्ट्रापी कम नहीं होती है।यहां जो महत्वपूर्ण है वो ये है हम बात कर रहे हैंबंद प्रणालियों के बारे में, चूंकि खुली प्रणालियों में एन्ट्रापी किसी भी तरह से व्यवहार कर सकती है (कमी, वृद्धि, स्थिर रहना)। इसके अलावा, हम एक बार फिर ध्यान दें कि एन्ट्रापी केवल प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के दौरान एक बंद प्रणाली में स्थिर रहती है। एक बंद प्रणाली में अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के दौरान, एन्ट्रापी हमेशा बढ़ती है।

बोल्ट्ज़मैन का सूत्र (2.134) हमें थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम द्वारा निर्धारित अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के दौरान एक बंद प्रणाली में एन्ट्रापी में वृद्धि की व्याख्या करने की अनुमति देता है: एन्ट्रापी में वृद्धिका अर्थ है सिस्टम का परिवर्तन कम संभावना से अधिक संभावनास्थिति। इस प्रकार, बोल्ट्ज़मैन का सूत्र हमें थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम की सांख्यिकीय व्याख्या देने की अनुमति देता है। यह, एक सांख्यिकीय कानून होने के नाते, एक बंद प्रणाली बनाने वाले बड़ी संख्या में कणों की अराजक गति के पैटर्न का वर्णन करता है।

आइए हम ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के दो और सूत्र बताएं:

1) केल्विन के अनुसार: एक वृत्ताकार प्रक्रिया असंभव है, जिसका एकमात्र परिणाम हीटर से प्राप्त ऊष्मा का उसके समकक्ष कार्य में परिवर्तन है;

2) क्लॉसियस के अनुसार: एक वृत्ताकार प्रक्रिया असंभव है, जिसका एकमात्र परिणाम कम गर्म वस्तु से अधिक गर्म वस्तु में ऊष्मा का स्थानांतरण होता है।

केल्विन और क्लॉसियस फॉर्मूलेशन की समानता साबित करना काफी आसान है। इसके अलावा, यह दिखाया गया है कि यदि एक बंद प्रणाली में एक काल्पनिक प्रक्रिया की जाती है जो क्लॉसियस फॉर्मूलेशन में थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम का खंडन करती है, तो यह एन्ट्रापी में कमी के साथ होती है। यह क्लॉसियस सूत्रीकरण (और इसलिए केल्विन) और सांख्यिकीय सूत्रीकरण की समानता भी साबित करता है, जिसके अनुसार एक बंद प्रणाली की एन्ट्रापी कम नहीं हो सकती है।

19वीं सदी के मध्य में. ब्रह्मांड की तथाकथित ताप मृत्यु की समस्या उत्पन्न हुई। ब्रह्मांड को एक बंद प्रणाली के रूप में मानते हुए और उस पर थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम को लागू करते हुए, क्लॉसियस ने इसकी सामग्री को इस कथन तक सीमित कर दिया कि ब्रह्मांड की एन्ट्रापी अपने अधिकतम तक पहुंचनी चाहिए। इसका मतलब यह है कि समय के साथ, सभी प्रकार की गति तापीय गति में बदल जानी चाहिए। गर्म पिंडों से ठंडे पिंडों में ऊष्मा का संक्रमण इस तथ्य को जन्म देगा कि ब्रह्मांड में सभी पिंडों का तापमान बराबर हो जाएगा, यानी, पूर्ण थर्मल संतुलन हो जाएगा और ब्रह्मांड में सभी प्रक्रियाएं बंद हो जाएंगी - ब्रह्मांड की थर्मल मृत्यु घटेगा। गर्मी से मृत्यु के बारे में निष्कर्ष की भ्रांति इस तथ्य में निहित है कि थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम को खुली प्रणालियों पर लागू करने का कोई मतलब नहीं है, उदाहरण के लिए, ब्रह्मांड जैसी असीमित, असीम रूप से विकासशील प्रणाली पर।

क्लॉसियस के अनुसार एन्ट्रॉपी.

थर्मोडायनामिक प्रणाली के स्थूल मापदंडों में दबाव, आयतन और तापमान शामिल हैं। हालाँकि, एक और महत्वपूर्ण भौतिक मात्रा है जिसका उपयोग थर्मोडायनामिक प्रणालियों में स्थितियों और प्रक्रियाओं का वर्णन करने के लिए किया जाता है। इसे एन्ट्रॉपी कहते हैं.

यह अवधारणा पहली बार 1865 में जर्मन भौतिक विज्ञानी रुडोल्फ क्लॉसियस द्वारा पेश की गई थी। उन्होंने एन्ट्रॉपी को थर्मोडायनामिक प्रणाली की स्थिति का कार्य कहा, जो अपरिवर्तनीय ऊर्जा अपव्यय का माप निर्धारित करता है।

एन्ट्रापी क्या है? इस प्रश्न का उत्तर देने से पहले, आइए "कम गर्मी" की अवधारणा से परिचित हों। किसी सिस्टम में होने वाली किसी भी थर्मोडायनामिक प्रक्रिया में सिस्टम के एक राज्य से दूसरे राज्य में निश्चित संख्या में संक्रमण होते हैं। गर्मी कम हुई एक इज़ोटेर्माल प्रक्रिया में ऊष्मा की मात्रा और उस तापमान का अनुपात है जिस पर यह ऊष्मा स्थानांतरित होती है।

क्यू" = क्यू/टी .

किसी भी खुली थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के लिए, सिस्टम का एक कार्य होता है जिसका एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण के दौरान परिवर्तन कम गर्मी के योग के बराबर होता है। क्लॉसियस ने इस फ़ंक्शन को "नाम दिया" एन्ट्रापी "और इसे पत्र के साथ निर्दिष्ट किया एस , और ऊष्मा की कुल मात्रा का अनुपात ∆Q निरपेक्ष तापमान मान तक टी नाम एन्ट्रापी परिवर्तन .

आइए हम इस तथ्य पर ध्यान दें कि क्लॉज़ियस सूत्र एन्ट्रापी का मूल्य निर्धारित नहीं करता है, बल्कि केवल इसका परिवर्तन निर्धारित करता है।

ऊष्मागतिकी में "ऊर्जा का अपरिवर्तनीय अपव्यय" क्या है?

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का एक सूत्रीकरण इस प्रकार है: " एक प्रक्रिया असंभव है, जिसका एकमात्र परिणाम सिस्टम द्वारा प्राप्त गर्मी की पूरी मात्रा को कार्य में परिवर्तित करना है"। यानी, गर्मी का कुछ हिस्सा काम में बदल जाता है, और कुछ नष्ट हो जाता है। यह प्रक्रिया अपरिवर्तनीय है। भविष्य में, नष्ट हुई ऊर्जा अब काम नहीं कर सकती है। उदाहरण के लिए, एक वास्तविक ताप इंजन में, सभी नहीं ऊष्मा कार्यशील द्रव में स्थानांतरित हो जाती है बाहरी वातावरण, इसे गर्म करना।

कार्नोट चक्र के अनुसार चलने वाले एक आदर्श ऊष्मा इंजन में, सभी कम ऊष्माओं का योग शून्य होता है। यह कथन किसी भी अर्ध-स्थैतिक (प्रतिवर्ती) चक्र के लिए भी सत्य है। और इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि ऐसी प्रक्रिया में एक राज्य से दूसरे राज्य में कितने संक्रमण होते हैं।

यदि हम एक मनमानी थर्मोडायनामिक प्रक्रिया को अनंत आकार के खंडों में विभाजित करते हैं, तो ऐसे प्रत्येक खंड में कम गर्मी बराबर होगी δQ/टी . कुल एन्ट्रापी अंतर डीएस = δक्यू/टी .

एन्ट्रॉपी गर्मी की अपरिवर्तनीय रूप से नष्ट होने की क्षमता का एक माप है। इसके परिवर्तन से पता चलता है कि गर्मी के रूप में कितनी ऊर्जा बेतरतीब ढंग से पर्यावरण में फैल जाती है।

एक बंद पृथक प्रणाली में जो पर्यावरण के साथ गर्मी का आदान-प्रदान नहीं करती है, प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के दौरान एन्ट्रापी नहीं बदलती है। इसका मतलब यह है कि अंतर डीएस = 0 . वास्तविक और अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं में, गर्मी का स्थानांतरण गर्म शरीर से ठंडे शरीर में होता है। ऐसी प्रक्रियाओं में, एन्ट्रापी हमेशा बढ़ती है ( डीएस ˃ 0 ). नतीजतन, यह थर्मोडायनामिक प्रक्रिया की दिशा को इंगित करता है।

क्लॉसियस सूत्र, इस प्रकार लिखा गया है डीएस = δक्यू/टी , केवल अर्ध-स्थैतिक प्रक्रियाओं के लिए मान्य है। ये आदर्शीकृत प्रक्रियाएं हैं जो संतुलन स्थितियों की एक श्रृंखला हैं जो लगातार एक दूसरे का अनुसरण करती हैं। वास्तविक थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं के अध्ययन को सरल बनाने के लिए उन्हें थर्मोडायनामिक्स में पेश किया गया था। ऐसा माना जाता है कि किसी भी समय एक अर्ध-स्थैतिक प्रणाली थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में होती है। इस प्रक्रिया को अर्ध-संतुलन भी कहा जाता है।

बेशक, ऐसी प्रक्रियाएँ प्रकृति में मौजूद नहीं हैं। आख़िरकार, सिस्टम में कोई भी बदलाव इसकी संतुलन स्थिति को बाधित करता है। इसमें विभिन्न संक्रमण प्रक्रियाएं और विश्राम प्रक्रियाएं घटित होने लगती हैं, जो सिस्टम को संतुलन की स्थिति में वापस लाने का प्रयास करती हैं। लेकिन धीरे-धीरे आगे बढ़ने वाली थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं को अर्ध-स्थैतिक माना जा सकता है।

व्यवहार में, कई थर्मोडायनामिक समस्याएं हैं, जिनके समाधान के लिए जटिल उपकरणों के निर्माण, कई लाख वायुमंडलों के दबाव के निर्माण, बहुत के रखरखाव की आवश्यकता होती है उच्च तापमानएक लम्बे समय के दौरान. और अर्ध-स्थैतिक प्रक्रियाएं ऐसी वास्तविक प्रक्रियाओं के लिए एन्ट्रापी की गणना करना संभव बनाती हैं, यह अनुमान लगाने के लिए कि यह या वह प्रक्रिया कैसे आगे बढ़ सकती है, जिसे व्यवहार में लागू करना बहुत मुश्किल है।

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम. ऊष्मा इंजन का संचालन सिद्धांत. कार्नोट चक्र. ताप इंजन दक्षता.

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम (बीएलटी)

ऊर्जा के संरक्षण और परिवर्तन के सामान्य नियम को व्यक्त करते हुए, थर्मोडायनामिक्स (पीएलटी) का पहला नियम हमें प्रक्रियाओं की दिशा निर्धारित करने की अनुमति नहीं देता है

वीएनटी केवल थर्मोडायनामिक प्रणालियों के संबंध में मान्य है। VNT के कई समतुल्य सूत्रीकरण हैं:

1. एक प्रक्रिया असंभव है, जिसका एकमात्र परिणाम ठंडे शरीर से गर्म शरीर में गर्मी का स्थानांतरण है (क्लॉसियस का सूत्रीकरण)।

2. एक प्रक्रिया असंभव है, जिसका एकमात्र परिणाम एक शरीर के ठंडा होने के कारण कार्य का प्रदर्शन है (थॉमसन का सूत्रीकरण)।

3. किसी पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी उसमें होने वाली किसी भी प्रक्रिया के दौरान कम नहीं हो सकती, ᴛ.ᴇ. dS³0, जहां समान चिह्न प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं को संदर्भित करता है, और बड़ा चिह्न अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं को संदर्भित करता है (क्लॉसियस फॉर्मूलेशन)।

बोल्ट्ज़मैन का सूत्र (31) S=klnW हमें VNT के तीसरे सूत्रीकरण की एक सांख्यिकीय व्याख्या देने की अनुमति देता है: एक पृथक प्रणाली की स्थिति की थर्मोडायनामिक संभावना W इसमें होने वाली सभी प्रक्रियाओं के लिए कम नहीं हो सकती है।

यह बड़ी संख्या में कणों की अराजक गति के आवश्यक पैटर्न को व्यक्त करता है जो एक पृथक प्रणाली का हिस्सा हैं।

कार्नोट चक्र

कार्नोट चक्र को दर्शाया गया है जहां आइसोथर्मल विस्तार और संपीड़न क्रमशः वक्र 1-2 और 3-4 द्वारा दिया जाता है, और रुद्धोष्म विस्तार और संपीड़न वक्र 2-3 और 4-1 द्वारा दिया जाता है।

ऊष्मा इंजन का संचालन सिद्धांत.

ऊष्मा इंजन को आमतौर पर एक चक्रीय उपकरण कहा जाता है जो ईंधन के दहन के दौरान निकलने वाली गर्मी को कार्य में परिवर्तित करता है।

ताप इंजन तत्व:

हीटर

कार्यशील पदार्थ

फ़्रिज

कार सिलेंडर के उदाहरण का उपयोग करते हुए, हवा गर्म हो जाती है, हवा का तापमान बढ़ जाता है, इससे पिस्टन की ट्रांसलेशनल गति होती है। गतिमान पिस्टन क्रैंकशाफ्ट को घुमाता है, और फिर, एक गियर सिस्टम के माध्यम से, घूर्णी गति को पहियों तक प्रेषित किया जाता है।

दक्षता व्यय की गई ऊर्जा के सापेक्ष एक मशीन का कार्य है।

व्याख्यान 13.

गर्मी और प्रशीतन मशीनें। ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम. कार्नोट चक्र. कार्नोट का प्रमेय. थर्मोडायनामिक तापमान पैमाना। क्लॉसियस असमानता. थर्मोडायनामिक एन्ट्रापी। एन्ट्रापी बढ़ाने का नियम. ऊष्मागतिकी का तीसरा नियम.

थर्मल मशीनें या ऊष्मा इंजन , के कारण जारी गर्मी के कारण उपयोगी कार्य प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया गया है रासायनिक प्रतिक्रिएं(ईंधन दहन), परमाणु परिवर्तन या अन्य कारण। ऊष्मा इंजन के संचालन के लिए निम्नलिखित घटकों की आवश्यकता होती है: हीटर, रेफ्रिजरेटर और कार्यशील तरल पदार्थ .

उदाहरण के लिए, वातावरण ठंडा हो सकता है।

निम्नलिखित में इस अवधारणा का उपयोग किया जाएगा थर्मोस्टेट , जिससे हमारा तात्पर्य एक ऐसे पिंड से है जो स्थिर तापमान पर है और जिसकी ऊष्मा क्षमता अनंत है - ऊष्मा प्राप्त करने या छोड़ने की कोई भी प्रक्रिया इस पिंड के तापमान को नहीं बदलती है।

चक्रीय (गोलाकार) थर्मोडायनामिक प्रक्रिया।

आर आइए एक चक्रीय प्रक्रिया पर विचार करें जिसमें हीटर गर्मी को कार्यशील द्रव में स्थानांतरित करता है क्यू एन. कार्यशील तरल पदार्थ काम करता है और फिर रेफ्रिजरेटर को गर्मी देता है क्यू एक्स .

टिप्पणी. स्ट्रोक की उपस्थिति का मतलब है. निर्दिष्ट मात्रा का पूर्ण मूल्य लिया जाता है, अर्थात। क्यू एक्स =  क्यू एक्स  .

यह चक्राकार प्रक्रिया कहलाती है प्रत्यक्ष . प्रत्यक्ष प्रक्रिया में, अधिक गर्म वस्तु से ऊष्मा ली जाती है और सिस्टम बाहरी वस्तु पर कार्य करने के बाद शेष ऊष्मा कम गर्म वस्तु को दे दी जाती है। ऊष्मा इंजन सीधे चक्र में काम करते हैं।

वह प्रक्रिया जिसमें बाहरी निकायों द्वारा सिस्टम पर किए गए कार्य के परिणामस्वरूप कम गर्म वस्तु से ऊष्मा ली जाती है और अधिक गर्म वस्तु को दी जाती है, कहलाती है रिवर्स। रेफ्रिजरेटर विपरीत चक्र में काम करते हैं .

सिस्टम द्वारा प्राप्त ऊष्मा को सकारात्मक माना जाता है क्यू एन > 0 , और दिया गया नकारात्मक है क्यू एक्स < 0 . अगर क्यू एक्स > 0 - गर्मी, प्राप्त रेफ़्रिजरेटर, तो हम लिख सकते हैं:

क्यू एक्स = क्यू एक्स = क्यू एक्स .

आंतरिक ऊर्जा अवस्था का एक कार्य है, इसलिए, एक गोलाकार (चक्रीय) प्रक्रिया के दौरान, जब सिस्टम अपनी मूल स्थिति में लौटता है, तो आंतरिक ऊर्जा नहीं बदलती है। ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम से यह इस प्रकार है:

लेकिन फिर
, वह

क्योंकि
,
.

प्रत्यक्ष चक्र दक्षता (थर्मल दक्षता):

चक्रीय (दोहराई गई) प्रक्रियाओं के लिए निर्धारित। (के लिए गैर चक्रीय प्रक्रियाइस प्रकार की मनोवृत्ति कहलाती है उपयोगी रास्ता.)

टिप्पणी. चक्रीय प्रक्रिया के लिए रेफ्रिजरेटर में ताप स्थानांतरण अनिवार्य है। अन्यथा, कार्यशील द्रव हीटर के साथ थर्मल संतुलन में आ जाएगा, और हीटर से गर्मी हस्तांतरण असंभव होगा। इसलिए, किसी भी ताप इंजन की दक्षता हमेशा इकाई से कम होती है:

.

प्रशीतन मशीन में बाहरी वस्तुएँ कार्य करती हैं ए बाहरीगर्मी हटाने से क्यू 2 ठंडे शरीर और गर्मी हस्तांतरण से क्यू 1  थर्मल जलाशय (आमतौर पर पर्यावरण)। एक प्रशीतन मशीन की दक्षता या प्रशीतन गुणांक खर्च किए गए कार्य के लिए आपूर्ति की गई गर्मी की मात्रा का अनुपात है:

.

सामान्यतया, यह गुणांक या तो एकता से कम या एक से अधिक हो सकता है - यह सब बाहरी निकायों के काम पर निर्भर करता है।

गर्मी पंप - एक उपकरण जो ठंडे पिंडों से गर्म पिंडों में गर्मी को "पंप" करता है और इसका उद्देश्य, उदाहरण के लिए, एक कमरे को गर्म करना है। साथ ही गर्मी भी पर्यावरण से लिया जाता है, जिसका तापमान कम होता है, और कमरे में हवा को गर्मी दी जाती है . हीट पंप रिवर्स थर्मल चक्र में काम करता है। (इस तापन सिद्धांत को गतिशील तापन कहा जाता है)। ताप पंप की दक्षता कमरे में स्थानांतरित गर्मी और खर्च किए गए कार्य के अनुपात के बराबर है:

.

चूँकि पर्यावरण से निकाली गई ऊष्मा शून्य से अधिक है, ताप पंप की दक्षता एक से अधिक है। लेकिन उसी प्रत्यक्ष चक्र की दक्षता के लिए
,
, इसीलिए

,

वे। ताप पंप दक्षता आगे चक्र दक्षता के व्युत्क्रम के बराबर है .