TERMIKA IV + V. Druhý princip termodynamický; Carnot uv cyklus; Clausiova nerovnost;

Podobné dokumenty
Termodynamika. Děj, který není kvazistatický, se nazývá nestatický.

Termodynamické zákony

Termodynamika. T [K ]=t [ 0 C] 273,15 T [ K ]= t [ 0 C] termodynamická teplota: Stavy hmoty. jednotka: 1 K (kelvin) = 1/273,16 část termodynamické

Elektroenergetika 1. Termodynamika a termodynamické oběhy

IDEÁLNÍ PLYN 14. TEPELNÉ STROJE, PRVNÍ A DRUHÝ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON

1.4. II. věta termodynamiky

Elektroenergetika 1. Termodynamika

Termomechanika 3. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav HOLEČEK

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

Termodynamika 1. UJOP Hostivař 2014

Teplo, práce a 1. věta termodynamiky

IDEÁLNÍ PLYN. Stavová rovnice

PLYNNÉ LÁTKY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Termika - 2. ročník

Ideální plyn. Stavová rovnice Děje v ideálním plynu Práce plynu, Kruhový děj, Tepelné motory

Termodynamika a živé systémy. Helena Uhrová

Termomechanika 4. přednáška

LOGO. Struktura a vlastnosti plynů Ideální plyn

Termodynamické zákony

FYZIKÁLNÍ CHEMIE chemická termodynamika

Fyzikální chemie. Magda Škvorová KFCH CN463 tel února 2013

Mol. fyz. a termodynamika

T0 Teplo a jeho měření

TERMIKA. (Petr Jizba) Doporučená literatura:

Tepelná vodivost. střední rychlost. T 1 > T 2 z. teplo přenesené za čas dt: T 1 T 2. tepelný tok střední volná dráha. součinitel tepelné vodivosti

Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Fáze a fázové přechody

Termodynamické potenciály

Zpracování teorie 2010/ /12

2.4 Stavové chování směsí plynů Ideální směs Ideální směs reálných plynů Stavové rovnice pro plynné směsi

Poznámky k cvičením z termomechaniky Cvičení 3.

FYZIKÁLNÍ CHEMIE I: 2. ČÁST

soustava - část prostoru s látkovou náplní oddělená od okolí skutečnými nebo myšlenými stěnami okolí prostor vně uvažované soustavy

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

Cvičení z termodynamiky a statistické fyziky

Termomechanika 8. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

metoda je základem fenomenologické vědy termodynamiky, statistická metoda je základem kinetické teorie plynů, na níž si princip této metody ukážeme.

přednáška č. 6 Elektrárny B1M15ENY Tepelné oběhy: Stavové změny Typy oběhů Možnosti zvýšení účinnosti Ing. Jan Špetlík, Ph.D.

SVOBODA, E., BAKULE, R.

STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Joulův-Thomsonův jev. p 1 V 1 V 2. p 2 < p 1 V 2 > V 1. volná adiabatická expanze nevratný proces (vzroste entropie)

Termodynamika 2. UJOP Hostivař 2014

Do známky zkoušky rovnocenným podílem započítávají získané body ze zápočtového testu.

CHEMICKÁ ENERGETIKA. Celá termodynamika je logicky odvozena ze tří základních principů, které mají axiomatický charakter.

Jméno: _ podpis: ročník: č. studenta. Otázky typu A (0.25 bodů za otázku, správně je pouze jedna odpověď)

Vnitřní energie, práce, teplo.

13 otázek za 1 bod = 13 bodů Jméno a příjmení:

VNITŘNÍ ENERGIE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 2. ročník - Termika

6. Jaký je výkon vařiče, který ohřeje 1 l vody o 40 C během 5 minut? Měrná tepelná kapacita vody je W)

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Molekulová fyzika a termika:

Fluktuace termodynamických veličin

Molekulová fyzika a termodynamika

EU peníze středním školám digitální učební materiál

Molekulová fyzika a termika. Přehled základních pojmů

TERMIKA VIII. Joule uv a Thompson uv pokus pro reálné plyny

3 pokusy z termiky. Vojtěch Jelen Fyzikální seminář LS 2014

Termodynamika par. Rovnovážný diagram látky 1 pevná fáze, 2 kapalná fáze, 3 plynná fáze

PROCESY V TECHNICE BUDOV 8

FYZIKA I cvičení, FMT 2. POHYB LÁTKY

9. Struktura a vlastnosti plynů

Texty k přednáškám z MMAN3: 4. Funkce a zobrazení v euklidovských prostorech

12 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

Cvičení z termomechaniky Cvičení 3.

Poznámky k cvičením z termomechaniky Cvičení 10.

II. MOLEKULOVÁ FYZIKA 1. Základy termodynamiky III

Magnetokalorický jev MCE

Vnitřní energie, práce a teplo

dq = 0 T dq ds = definice entropie T Entropie Při pohledu na Clausiův integrál pro vratné cykly :

Fyzikální chemie Úvod do studia, základní pojmy

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

12. Křivkové integrály

Kapitoly z termodynamiky a statistické fyziky

Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH. II. Termodynamika

5.4 Adiabatický děj Polytropický děj Porovnání dějů Základy tepelných cyklů První zákon termodynamiky pro cykly 42 6.

1. Obyčejné diferenciální rovnice

Nultá věta termodynamická

Fyzikální učebna vybavená audiovizuální technikou, interaktivní tabule, fyzikální pomůcky

VYBRANÉ STATĚ Z PROCESNÍHO INŢENÝRSTVÍ cvičení 12

SKUPENSKÉ PŘEMĚNY POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Skalární a vektorový popis silového pole

Svaz chladící a klimatizační techniky ve spolupráci s firmou Schiessl, s.r.o. Pro certifikaci dle Nařízení 303/2008/EK Ing.

Cvičení z NOFY / Termodynamika. 1 Cvičení Totální diferenciál. 1.1 Totální diferenciál Teplota a tlak pro ideální plyn

Teplota jedna ze základních jednotek soustavy SI, vyjadřována je v Kelvinech (značka K) další používané stupnice: Celsiova, Fahrenheitova

12. Termomechanika par, Clausiova-Clapeyronova rovnice, parní tabulky, základni termodynamické děje v oblasti par

TERMIKA II. Stacionární vedení s dokonalou i nedokonalou izolací; Obecná rovnice vedení tepla; Přestup a prostup tepla;

Thermos teplo Dynamic změna

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2017 Studijní program: Fyzika Studijní obory: FFUM

Poznámky k semináři z termomechaniky Grafy vody a vodní páry

Příklady k zápočtu molekulová fyzika a termodynamika

Vnitřní energie, práce a teplo

TERMOMECHANIKA PRO STUDENTY STROJNÍCH FAKULT prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. Brno 2013

3.5 Tepelné děje s ideálním plynem stálé hmotnosti, izotermický děj

Termochemie { práce. Práce: W = s F nebo W = F ds. Objemová práce (p vn = vnìj¹í tlak): W = p vn dv. Vratný dìj: p = p vn (ze stavové rovnice) W =

CHEMICKÁ ENERGETIKA. Celá termodynamika je logicky odvozena ze tří základních principů, které mají axiomatický charakter.

F8 - Změny skupenství Číslo variace: 1

Termomechanika 5. přednáška

Termomechanika cvičení

Transkript:

TERMIKA IV + V Druhý princip termodynamický; Carnot uv cyklus; Obecný kruhový děj; Clausiova nerovnost; 1

Druhý princip termodynamický Q: Lze veškeré teplo dodané soustavě přeměnit v práci? A: z 1.P.T. δq = nc V dθ + p dv pro cyklický (kruhový) děj víme, že Q = W 2.P.T. nelze trvale neexistuje perpetum mobile 2. druhu Pozn: Několik užitečných pojm u: Adiabatické křivky: Uvažujme kvazi statický adiabatický proces δq = du + p dv = 0. Užijeme li fakt, že U = U(p, V ) ( p + U ) dv + U V p dp = 0 představuje dif. rovnici prvního řádu. Řešení p = p(v ) reprezentuje adiabatickou křivku. 2

Např: pro 1 mol ideálního plynu U = C V Θ + konst. = C V pv/r + konst. U V dp dv = C V = p V p R, U p = C V V R (R + C V ) C V = p V κ ln p = κ ln V + konst. pv κ = konst. Pozn: Pokud je U nesingulární, potom teorie dif. rovnic zaručuje, že řešení p = p(v ) je jednoznačné adiabáty se nemohou protínat (každým bodem v (p, V ) rovině prochází právě jedna adiabáta). Tepelná lázeň (termostat): je idealizovaný systém který je tak velký, že jeho empirická teplota z ustává konstantní i když se z něj odebere (nebo se mu dodá) konečné množství tepla. Tepelná kapacita C =. Carnot uv cyklus (stroj): je ideální reverzibilní proces znázorněný na obrázku: Začínáme ve stavu (p 1, V 1 ) s empirickou teplotou ϑ 1 = ϑ 1 (p 1, V 1 ) Izotermicky expandujeme systém do stavu (p 3, V 3 ) systém je v tepelném kontaktu s tepelnou lázní o konstantní teplotě ϑ 1.!!! Určité množství tepla Q 1 je absorbováno systémem z tepelné lázně V > 0 Q 1 > 0 3

Adiabaticky expandujeme systém do stavu (p 2, V 2 ) kde systém má teplotu ϑ 2 = ϑ 2 (p 2, V 2 ) Izotermicky stlačíme systém do stavu (p 4, V 4 ) systém je v tepelném kontaktu s tepelnou lázní o konstantní teplotě ϑ 2.!!! Určité množství tepla Q 2 systemém vydá do chladnějíí tepelné lázně V < 0 Q 2 < 0 Adiabaticky stlačíme systém do počátečního stavu (p 1, V 1 ) Pokud jsou všechny procesy v cyklu provedeny kvazi staticky potom 1.P.T. implikuje Q 1 = Q 2 = podél izoterm. A podobně V3 V 1 p(v, ϑ 1 )dv + U(V 3, ϑ 1 ) U(V 1, ϑ 1 ) V4 V 2 p(v, ϑ 2 )dv + U(V 4, ϑ 2 ) U(V 2, ϑ 2 ) podél adiabát. 0 = 0 = V2 V 3 pdv + U(V 2, ϑ 2 ) U(V 3, ϑ 1 ) V1 V 4 pdv + U(V 1, ϑ 1 ) U(V 4, ϑ 2 ) 4

Označíme-li Carnotuv cyklus jako C a sečteme li předchozí výrazy tak obdržíme pro celkovou práci W vykonanou plynem (či jiným pracovním médiem) během cyklu W = p dv = Q 1 + Q 2 C Účinnost (efektivnost) Carnotova cyklu: reprezentuje poměr práce vydané systémem (plynem) a množství přijatého tepla během procesu, t.j., η = (vykonaná práce)/(přijaté teplo) = W Q 1 = 1 + Q 2 Q 1 1 Např: pro ideální plyn je výměna tepla při izotermách (U = konst.) Q 1 = W 13 = RΘ 1 ln(v 3 /V 1 ) > 0, Q 2 = W 24 = RΘ 2 ln(v 4 /V 2 ) < 0!!! Všimněte si, že pro IP platí V 3 /V 1 = V 2 /V 4 D ukaz: Pro stavy 3,2 a 4,1 které leží na adiabátách platí p 3 V3 κ = p 2 V2 κ a p 4 V4 κ = p 1 V1 κ nrθ 1 V3 κ = nrθ 2 V 3 V 2 V κ 2 a nrθ 2 V 4 V κ 4 = nrθ 1 V 1 V κ 1 5

( V3 ) κ 1 = Θ 2 V 2 Θ 1 a ( V4 V 1 ) κ 1 = Θ 1 Θ 2 V 3 V 1 = V 2 V 4 a tedy η = 1 + Q 2 /Q 1 = 1 Θ 2 /Θ 1 Pozn I: d uležitá implikace: Q 1 /Θ 1 + Q 2 /Θ 2 = 0 Pozn II: Uvidíme, že účinnost obecného Carnotova cyklu závisí jen na teplotách ϑ 1 a ϑ 2 a né na specifické realizaci systému (např. r uzné provozní médium, atd.) umožňuje definovat absolutní teplotní stupnici. 6

Druhý princip termodynamický (2.P.T.) formulace: (W. Thompson (Lord Kelvin), 1851) Neexistuje kruhový (cyklický) děj při němž by soustava jen odebírala teplo jednomu tělesu (tepelné lázni např. moři, zemi, vesmíru) a bezezbytku jej přeměnila v práci. (R. Clausius, 1850) Neexistuje žádný cyklický proces jehož jediným výsledkem by byl přenos tepla z chladnějšího na teplejší těleso. Pozn: Obě formulace jsou ekvivalentní: D ukaz: Využijeme výrokové relace: (A B) Ā B B Ā DÚ: { I. Když K neplatí C neplatí: II. Když C neplatí K neplatí: 7

Pozn: Existují dalši ekvivalentní formulace 2.P.T, např.: (W.F. Ostwald, 1892) Neexistuje perpetuum mobile (2. druhu), t.j., stroj který by pracoval ve shodě se z.z.e. a trvale vykonával kladnou mechanickou práci pouze následkem ochlazováni jednoho tělesa. (C. Caratheodory, 1909) V každém libovolném okoĺı libovolně daného počátečního stavu termicky homogenní soustavy existují stavy které jsou nedosažitelné adiabaticky. ( adiabáty se nemohou protínat) DÚ: Dokažte, že uvedené definice jsou ekvivalentní. 8

Carnot uv teorém I Q: Existují účinnější tepelné stroje než je Carnot uv cyklus/stroj? A: Žádný stroj který operuje mezi dvěma danými teplotami není účinnější (efektivnější) než Carnot uv cyklus/stroj. Dukaz: Uvažujme Carnotuv stroj A a libovolný stroj X operující mezi dvěma tepelnými lázněmi ϑ 1 a ϑ 2 (ϑ 1 > ϑ 2 ) 1.P.T. W = Q 2 + Q 1 W = Q 2 + Q 1 9

Předpokládejme dále, že Q 2 Q 2 = N N N a N jsou libovolná přirozená čísla. Operujme nyní A stroj N cyklu zpětně (W < 0) a stroj X N cyklu dopředně (W > 0). Na konci této operace máme bilanci: W total = N W + NW (Q 2 ) total = N Q 2 + NQ 2 = 0 (Q 1 ) total = N Q 1 + NQ 1 (Q 2 < 0, Q 2 > 0, Q 1 > 0, Q 1 < 0) Na druhé straně m užeme také psát W total = (Q 2 ) total + (Q 1 ) total = (Q 1 ) total Celkový proces bude narušoval 2.P.T. (Kelvinovu verzi) pokud nebude platit, že W total 0 (Q 1 ) total 0 10

Jinými slovy musí platit N Q 1 N Q 1 0 Q 2 Q 1 Q 2 Q 1 0 Q 2 Q 1 ( Q 2 Q 1 1 Q 2 Q 1 ) ( 1 Q 2 Q 1 ) Pozn: Protože X m uže být i Carnot uv stroj všechny Carnotovy stroje které operují mezi dvěma danými teplotami mají stejnou účinnost. Duležitá implikace: Carnotuv systém je univerzální jeho účinnost závisí jen na teplotách tepelných lázních a nikoli na specifické realizaci systému (tj., nezávisí na pracovním médiu) Q 2 / Q 1 = f(ϑ 1, ϑ 2 ) kde f je univerzální funkce ϑ 1 a ϑ 2 Ukažme nyní, že f(ϑ 1, ϑ 2 ) = Φ(ϑ 1 )/Φ(ϑ 2 ) 11

D ukaz: Uvažujme dva Carnotovy stroje. První operuje mezi teplotami ϑ 1 a ϑ 2 a absorbuje teplo Q 1 během první izotermy a vydá teplo Q 2 během druhé izotermy. Druhý operuje mezi teplotami ϑ 2 a ϑ 3 a absorbuje teplo Q 2 během první izotermy a vydá teplo Q 3 během druhé izotermy. Q 2 Q 1 Pro kombinovaný cyklus platí = f(ϑ 1, ϑ 2 ) Q 3 Q 2 = f(ϑ 2, ϑ 3 ) Q 3 Q 1 = f(ϑ 1, ϑ 3 ) f(ϑ 1, ϑ 3 ) = f(ϑ 1, ϑ 2 )f(ϑ 2, ϑ 3 ) 12

Řešení této funkcionální rovnice je f(ϑ 1, ϑ 2 ) = Φ(ϑ 2 )/Φ(ϑ 1 ) (Cantorova 2. funkcionální rovnice) DÚ: Dokažte. Funkce Φ je tedy univerzální funkce empirické teploty ϑ. Absolutní teplota Θ m uže potom být identifikována (ve shodě s výsledkem pro IP) jako α je škálová konstanta. Θ = αφ(ϑ) Účinnost Carnotova stroje pro libovolný systém operující mezi absolutními teplotami Θ 1 a Θ 2 je dána vztahem η = 1 Q 2 Q 1 Pozn: Srovnej s výsledkem pro IP. = 1 + Q 2 Q 1 = 1 Θ 2 Θ 1 13

Q : Čím se zvětší účinnost Carnotova cyklu víc, ohřátím ohřívacího termostatu či ochlazením chladiče? A : Ochlazením chladiče. D ukaz: Z definice účinnosti vyplývají následující vztahy: η = Θ 1 Θ 2 Θ 1 dη dθ 1 = Θ 2 Θ 2 1 dη dθ 2 = Θ 1 Θ 2 1 Z předchozího plyne, že ke zvýšení účinnosti musíme zvýšit teplotu ohřívače či snížit teplotu chladiče. Navíc, protože Θ 1 > Θ 2 dη dθ 1 < dη dθ 2 Tedy účinnost se zvýši více ochlazením chladiče než ohřátím ohřívače pokud předpokládáme, že teplotní změny jsou v obou připadech stejné, tj. Θ 1 = Θ 2. 14

Q : Napadá Vás nějaké využití předchozího faktu? Užitečná nápověda: tepelná pumpa/tepelné čerpadlo (diskutujte). T.č. odebírá teplo z jednoho prostředí a odevzdává jej jinému. Pravidelně se v něm opakují 4 cykly: vypařování odebíraním tepla z vody, vzduchu nebo ze země skrze první výměník sa chladivo odpařuje, čímž sa dostává do plynného stavu. komprese kompresor stlačí ohřáté chladivo, čímž vzroste jeho teplota. kondenzace ohřáté chladivo odevzdá teplo vyhřívacímu médiu prostřednictvím druhého výměníku. Tím sa chladivo ochladí a zkondenzuje zpět na kapalinu. expanze přechodem přez expanzní ventil se zníží tlak a chladivo putuje zpět k prvnímu výměníku. Ve výměníku sa znova ohřeje a cyklus se uzavírá. 15

Pozn I: Účinnost tepelné pumpy se často definuje jiným zp usobem. Totiž η tč = teplo dodané do domu vynaložená práce = Q d W Specielně pro Carnotovo t.č. dostáváme η tč;carnot = Q d Q d + Q l = Θ d Θ d Θ l > 1 Pozn II: Další tepelný stroj který běži v opačném smyslu vzhledem ke C.c. je lednička. Do ledničky se dodává práce (mechanická či elektrická) která zp usobuje tok tepla z chladnějšího do teplejšího rezervoáru. η l = teplo odvedené z obsahu ledničky dodaná práce = Q l W specielně pro Carnotovu ledničku dostáváme η l;carnot = Θ l Θ vně Θ l Účinnost m uže být větší než 100% 16

Obecný kruhový děj Carnot uv teorém II (také znám jako Clausiusova rovnost): Pro každý uzavřený reverzibilní děj C R C R δq Θ = 0 Pozn: Teorém implikuje, že ( ) δq ds Θ rev je exaktní (totální, úplný) diferenciál funkce S = S(V, Θ) stavu systému entropie (ηντ ϱoπη - přeměna, transformace) Fakt, že ds je totální diferenciál plyne z toho, že při vratném procesu je hodnota integrálu přez ds nezávislá na integrační cestě. Vratný kruhový děj se dá rozdělit na dvě fáze 1 2, 2 1 17

Z Carnotovy (Clausiusovy) rovnice δq Θ = 2 2 1(A) ( δq Θ 1(A) ) rev = ( δq Θ ) 2 1(B) rev + ( δq Θ 1 2(B) ) rev ( δq Θ ) rev = 0 Při vratném procesu např. 1 2 je hodnota integrálu po libovolné integrační cestě vždy stejná a závisí jen na počátečním a koncovém stavu ds je úplný diferenciál S je nová stavová funkce Carnot uv II. teorém plyne z analýzy obecného kruhového děje. Obecný kruhový děj: takový cyklický děj jehož dílčí děje mohou být nevratné (např. díky disipativním procesum). 18

D ukaz II. Carnotova teorému: Rozdělme kruhový děj C na K segment u i = 1,..., K. i tý segment je v kontaktu s rezervoárem o teplotě Θ i z něhož odebírá teplo Q C i Celkově vykonaná práce je z 1.P.T W C = K i=1 (!!! né všechny Q C i mohou být pozitivní protože jinak celé získané teplo by bylo bezezbytku přeměněno v práci.) Zaved me referenční rezervoár s teplotou Θ 0 > Θ i ( i) a s Carnotovými stroji C i Q C i V jednom cyklu operace tedy Carnotuv stroj C i absorbuje Q (0) i teplotě Θ 0 a předá teplo Q C i i do rezervoáru s teplotou Θ i Z defince absolutní teploty víme, že tepla z rezervoáru o Q (0) i Q C i i = Θ 0 Θ i 19

!!! Soustavu C spolu se všemi lázněmi Θ i a všemi pomocnými Carnotovými stroji C i lze považovat za jediný cyklicky pracující stroj {C + C 1 + C 2 + }. V jednom cyklu potom platí Rezervoár Θ i nezaznamená žadný tepelný přírustek protože teplo Q i které získá dodá do systému C tj., Q C i = Q C i i Teplo získané z rezervoáru Θ 0 je K k Q total = Q (0) Q C i k i Q C i i = Θ 0 = Θ 0 Θ i i=1 Celková práce vykonaná během jednoho cyklu je K K ( ) W total = W C + W i = W C + Q (0) i + Q C i i i=1 i=1 i=1 i=1 = Θ i K i=1 Q (0) i = Q total Pokud se nemá narušit 2.P.T., teplo Q total se nemuže celé přeměnit na mechanickou práci, t.j., Q total 0 (né všechna Q (0) i mohou být pozitivní) K Q C i 0 Θ i V limitě K K i=1 Q C i Θ i C δq i=1 Θ 0 (tkzv. Clasiusova nerovnost) 20

Pokud je cyklický děj reverzibilní, mužeme procesy nechat proběhnout v opačném pořadí δq Θ 0 C (znaménka Q C i jsou obrácená). Vyžijeme-li faktu, že C = C Pozn: C δq Θ 0 C δq S je zavedena jen pro vratné procesy. Θ horní nerovnost 0 C R δq Θ = 0 Je definován jen přír ustek ds nikoli vlastní funkce S. Množství tepla závisí na zpusobu předávání tepla soustavě, t.j., δq závisí na Γ, ale Γ δq/θ nezávisí (při vratných dějích). Γ Pro každý cyklický vratný děj platí C R δq/θ = 0 ale obecně C R δq 0. Při adiabatických procesech (vratných) Γ δq Θ = S(V 2, Θ 2 ) S(V 1, Θ 1 ) = 0 S(V 2, Θ 2 ) = S(V 1, Θ 1 ) = konst. 21

Clausius uv teorém (nerovnost): C Pro každý uzavřený děj C platí δq Θ 0 kde rovnost platí jenom pro reverzibilní uzavřený děj. Pozn: Teorém implikuje, že S(V 2, Θ 2 ) S(V 1, Θ 1 ) který platí pro jakoukoli dráhu Γ vedoucí ze stavu (V 1, Θ 1 ) do (V 2, Θ 2 ) ds = δq rev /Θ δq/θ. Rovnost platí jen pro reverzibilní dráhy!! Dukaz poznámky: Předpokládejme, že z počatního stavu se do konečného mužeme dostat po dvou drahách: vratné a nevratné Γ δq Θ B A δq Θ + A B δq rev Θ 0 B A δq Θ B A δq rev Θ = S 2 S 1 22

Pozn: Carnot uv cyklus má maximálni učinnost ve srovnáni se všemi cykly, které pracují při stejných hraničních teplotách. Dukaz poznámky: Necht Θ max označuje maximální teplotu při níž daný cyklus získává teplo, a necht Θ min reprezentuje teplotu při níž se teplo odevzdává. Celkově získané teplo Q 1 a celkově odevzdané teplo Q 2 jsou dány vztahy Q 1 = δq Γ pos Q 2 = δq Γ neg (Γ neg je část cyklu při níž je δq < 0 a Γ pos označuje část cyklu při níž je δq > 0). Využijeme-li faktu, že obecně platí (Clausiova) nerovnost δq Θ = δq Γ pos Θ + δq Θ 0 δq Γ pos Θ Γ neg Použijem-li první větu o střední hodnotě (t.j., elementární integrální nerovnost) dostaneme Q 1 δq Θ max Γ pos Θ δq Θ Q 2 Θ min η = Q 1 Q 2 Q 1 Γ neg δq Θ = 1 Q 2 Q 1 Γ neg 1 Θ min Θ max = η carnot 23

Pozn: Uvažujme tepelně izolovaný systém, tj, δq = 0 pro každý proces. ds 0 Takže entropie tepelně izolovaného systému se bud nemění (pro reverzibilní procesy) a nebo se zvětšuje (pro ireverzibilní procesy). Jinými slovy: Entropie adiabaticky izolovaného systému spěje ke svému maximu kterého dosáhne jen v rovnovážném stavu. Aplikace na vesmír Předpokládáme-li, že vesmír je izolavaný syst., potom 1.PT & 2.PT : (1) U vesmir = konst. (2) S vesmir m uže jen vzr ustat 24

24

TERMIKA V Gibbs uv paradox a entropie IP; Entropie vody; Změna entropie při tání (tavení); Stanovení změny entropie pro homogenní chemické soustavy; 25

Gibbs uv paradox (Gibbsovo paradoxon) a entropie IP Protože ds = δq/θ S = δq/θ + S 0 Q: S 0 = S(?) pro IP? A: S 0 (IP) nezávisí na stavových proměnných, ale m uže záviset na hmotnosti soustavy. D ukaz: Předpokládejme n mol u IP v rovnovážném stavu ds = δq Θ = 1 Θ nc V dθ + p dv (p = nrθ/v ) Θ ds = nc V dθ Θ + nrdv V S = n (C V ln Θ + R ln V ) + S 0 Entropie nezávisí na historii, ale jen na momentálním stavu konstanta nem uže záviset na stavových proměnných (p, V, Θ). 26

Předpokládejme, že S 0 nezávisí na hmotnosti (počtu mol u n) lze zvolit S 0 = 0 Mějme soustavu se dvěma monoatomárními IP které jsou vzájemně odděleny přepážkou. Předpokládejme, že plyny mají stejnou Θ a p potom: V = V 1 + V 2, n = n 1 + n 2 (C V = C V1 = C V2 = 3/2R) Pro celou soustavu tedy platí a současně S 1 = n 1 ( CV1 ln Θ + R ln V 1 ) S 2 = n 2 ( CV2 ln Θ + R ln V 2 ) S 1 + S 2 = nc V ln Θ + R ln ( V n 1 1 V n ) 2 2 S = n(c V ln Θ + R ln V ) Rozdíl mezi předchozími výsledky se nazývá entropie směšování a je 27

S S (S 1 + S 2 ) = R ln V n V n 1 1 V n 2 2 = R ln = R (n ln n n 1 ln n 1 n 2 ln n 2 ) 0 (> 0) ( n RΘ p ) n ( n1 RΘ p ) n1 ( n2 RΘ p ) n2 Pro odlišné plyny je tento výsledek přirozený. Sloučením (difuzí) dvou plynu se zvýšila neuspořádanost systému a tudíž entropie vzrostla. Pro identické plyny nedošlo k porušení rovnovážného stavu (tj., k žádné makroskopické změně systému) a tudíž by mělo platit S = 0 spor!!! předpoklad, že S 0 = 0 byl chybný S 0 = S 0 (n) Určeme S 0 (n) tak aby nedocházelo k tomuto Gibbsovu paradoxu: S = 0 = R(n ln n n 1 ln n 1 n 2 ln n 2 ) + S 0 (n) S 01 (n 1 ) S 02 (n 2 ) 28

funkcionální rovnice nr ln n + S 0 (n) = n 1 R ln n 1 + S 01 (n 1 ) + n 2 R ln n 2 + S 02 (n 2 ) Vyhovuje řešení S 0 = nr ln n + nk kde k absolutní konstanta. Závěr: S = n(c V ln Θ + R ln(v/n) + k) Pozn: Paradox je ve faktu, že pokud se S 0 naivně považuje za absolutní konstantu, potom pouhé myšlenkové rozdělení soustavy na dva podsystémy vede k S 0. Plné rozřešení paradoxu je poskytnuto kvantovou mechanikou (nerozlišitelnot) a statistickou fyzikou (grand kanonický soubor). 29

Pro ideální monoatomární plyn (C V = 3/2R) má entropie explicitní tvar S = nr ln ( Θ 3/2 V/n ) + nk Korektní tvar beroucí v úvahu stat. QM je dán Sackur Tetrodeho rov. S = nr ln ( Θ 3/2 V/n ) + nr ln = nr [ 5 2 ln ( N V λ 3 ) ] th ( ) kb m 3/2 k B R e5/2 2π h 2 kde m je moleculová/atomová hmotnost N V = N/V je hustota částic a λ th = 2π h/ 2πmk B Θ je tepelná vlnová délka Pozn: Všimněte si, že S(λn, λv ) = λs(n, V ) tj., entropie je extenzivní veličina 30

Protože k závisí na m, mění se při mýchání dvou r uzných plyn u entropie, tj., S 0. S = S kon. S [ poč. ] 5 = nr 2 ln(λ3 th N V ) = nr ln 2 = Nk B ln 2 nr [ ] 5 2 ln(λ3 th N V /2) S = nr ln 2 = Nk B ln 2 S = 0 Gibbsuv paradox naznačuje, že kvalitativně nový přístup se musí aplikovat na systémy s nerozlišitelnými částicemi. 31

Entropie vody Experimentálně je potvrzeno, že měrná tepelná kapacita vody c je skoro konstantní v teplotním intervalu mezi 0 C 100 C. Změny nepřevyšují 1%. Často postačuje uvažovat c jako konstantu s hodnotou c = 4, 2J g 1 K 1 Pro entropii 1g vody při teplotě Θ (273, 15 < Θ < 373, 15) tedy platí S(Θ) S(273, 15) = Θ 273,15 c dθ Θ = c ln Θ 273, 15 S(Θ) = c ln Θ + const. 32

Změna entropie při tání (tavení) Pokud se nemění tlak, potom se tání (tavení) děje při Θ tání = const. Změna entropie při přechodu od pevné do kapalné fáze je S = kapalná fáze pevná fáze δq Θ tání = Q L Θ tání Q L označuje příslušné latentní teplo. Pozn: Latentní teplo se musí do systému dodávat (tj., Q L > 0) pokud se má systém roztavit (např. led roztát) S > 0 entropie kapalné fáze je vyšši než tuhé fáze. Pevná fáze je uspořádanější (organizovanější) než kapalná fáze. 33

Stanovení změny entropie pro homogenní chemické soustavy: Z I. a II.PT víme, že ds = 1 (du + pdv ) Θ Uvažujme homogenní chemický systém jehož stav je určen term. proměnnými Θ a V. Protože U = U(Θ, V ) je stavová funkce, její úplný dif. je du = ( U Θ ) V dθ + ( U V ) Θ dv ds = 1 Θ {( ) U Θ V dθ + [( ) U V Θ ] + p dv } Takto zapsaný úplný diferenciál ds z entropie S bude velmi užitečný. Pozn: δq není úplný dif. (Θ, V ), ale ds již je. 1/Θ se nazývá integrační faktor. DÚ: Určete analogické výrazy pro ds v proměnných (p, V ) a (θ, p). 34