Δεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος

Η θερμοδυναμική είναι η μελέτη των σχέσεων μεταξύ θερμότητας και ενέργειας όπως δυναμικό, κινητικό, φως, μηχανικό κ.λπ. 

Γενικά, μελετάμε τους ακόλουθους νόμους της Θερμοδυναμικής:

• Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής
• Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής
• Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
• Τρίτος  νόμος της θερμοδυναμικής

Εδώ κατανοούμε λεπτομερώς τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο με παραδείγματα.

Ο δεύτερος νόμος ορίζει

"Οι αυθόρμητες φυσικές διεργασίες αυξάνουν την εντροπία συνολικά."

Μπορούμε να το καταλάβουμε έτσι, 

"Η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί αυθόρμητα μόνο από μια περιοχή υψηλότερης θερμοκρασίας σε μια περιοχή χαμηλότερης θερμοκρασίας."

Ένα παράδειγμα μη αναστρεψιμότητας είναι η μεταφορά θερμότητας μέσω αγωγιμότητας. Είναι γνωστό ότι όταν δύο σώματα διαφορετικών θερμοκρασιών, τότε η θερμότητα ρέει πάντα από το θερμότερο σώμα στο ψυχρότερο σώμα.

Δήλωση εντροπίας του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής

"Σε όλες τις αυθόρμητες διαδικασίες, η εντροπία του σύμπαντος αυξάνεται."

Δήλωση του Κέλβιν Πλανκ

"Είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μια συσκευή (που λειτουργεί σε έναν κύκλο) που μπορεί να λειτουργήσει σε μία μόνο πηγή θερμότητας και να μετατρέψει ολόκληρη τη θερμότητά της πλήρως σε εργασία."

Η δήλωση του Clausius

"Η θερμότητα δεν μπορεί να ρέει από ένα πιο κρύο σώμα σε ένα πιο ζεστό σώμα."

Εξήγηση: 

Ο δεύτερος νόμος ορίζει,

Υπάρχει μια χρήσιμη μεταβλητή κατάστασης γνωστή ως εντροπία S. 

Η αλλαγή στην εντροπία ενός κλειστού συστήματος ( ΔS ) είναι ίση με τη μεταφορά θερμότητας ( ΔQ ) διαιρούμενη με τη θερμοκρασία T. 

Δ S =Δ Q / T 

Για μια δεδομένη φυσική διαδικασία, εάν η διαδικασία μπορεί να αντιστραφεί, η συνολική εντροπία του σύμπαντος, δηλαδή του συστήματος και του περιβάλλοντος, παραμένει σταθερή.

Αν υποδηλώσουμε την αρχική και την τελική κατάσταση του συστήματος με "i" και "f" αντίστοιχα, τότε: 

Sf =Si (αναστρέψιμη διαδικασία) 

Ο δεύτερος νόμος ορίζει ότι εάν η φυσική διαδικασία είναι μη αναστρέψιμη, η συνδυασμένη εντροπία του συστήματος και του περιβάλλοντος θα πρέπει να αυξηθεί.

Για μια μη αναστρέψιμη διαδικασία, η τελική εντροπία θα πρέπει να είναι υψηλότερη από την αρχική εντροπία.

Sf> Si (μη αναστρέψιμη διαδικασία) 

Παράδειγμα: 

Ένα ζεστό πράγμα έρχεται σε επαφή με ένα κρύο πράγμα, επιτυγχάνουν και τα δύο την ίδια θερμοκρασία ισορροπίας. Μετά τον διαχωρισμό των αντικειμένων, η θερμοκρασία ισορροπίας παραμένει και δεν επιστρέφει φυσικά στις αρχικές της θερμοκρασίες. Αυτή είναι μια μη αναστρέψιμη διαδικασία.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής ως προς την εντροπία 

"Η πλήρης εντροπία του συστήματος και του περιβάλλοντός του αυξάνεται σε μια αυθόρμητη διαδικασία."

Μπορεί να αναπαρασταθεί θερμοδυναμικά ως

Gibbs δωρεάν ενέργεια και αυθορμητισμός της διαδικασίας:

Ή

Το κριτήριο του αυθορμητισμού όσον αφορά την ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι το ίδιο με αυτό που ορίζεται από τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο:

Οι συνολικές αλλαγές εντροπίας για ένα σύστημα και το περιβάλλον του με μια διεργασία μπορεί να γραφτεί ως:

∆ S Σύνολο =∆ S Sys + ∆ S Surr .

Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, για αυθόρμητη διαδικασία,

∆ S Σύνολο> 0. 

Εάν +∆H είναι η αύξηση της ενθαλπίας για τη διεργασία ή μια αντίδραση σε σταθερή θερμοκρασία (T) και πίεση, η μείωση της ενθαλπίας για το περιβάλλον θα είναι -ΔH.

T ∆ S Σύνολο =T ∆ S Sys – ∆ H.

-T ∆ S Σύνολο =-T ∆ S Sys + ∆ H.

-T ∆ S Σύνολο =  ∆ H -T ∆ S Sys 

Με την εξίσωση Gibbs

∆G=∆H – T∆S

Τώρα με τις δύο παραπάνω εξισώσεις

∆G=-T ∆ S Σύνολο 

Όσο αυξάνεται το ∆ S Το σύνολο, το ∆G µειώνεται.

Για αυθόρμητη διεργασία, ∆ S Σύνολο> 0

Αυτό είναι σύμφωνα με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

∆G <0.

Έτσι, σε μια αυθόρμητη διαδικασία, η ελεύθερη ενέργεια Gibbs μειώνεται (∆G <0), ενώ η εντροπία αυξάνεται (∆ S> 0).

Επομένως, για μια μη αυθόρμητη διαδικασία, η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs αυξάνεται (∆G> 0).

Μπορεί να ερμηνευθεί ότι για μια διεργασία σε ισορροπία, ΔG =0,

Συμπέρασμα

• Για την αυθόρμητη διαδικασία ∆G <0.
• Για τη μη αυθόρμητη διαδικασία ∆G> 0.
• Για τη διαδικασία σε ισορροπία ∆G =0.

Παραδείγματα του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής:

1. Το νερό ρέει πάντα από υψηλότερο επίπεδο σε χαμηλότερο αυθόρμητα.

Στην παραπάνω εικόνα, μπορούμε να δούμε ότι το νερό ρέει πάντα προς τα κάτω και ποτέ δεν ανεβαίνει αυτόματα.

Στην παραπάνω εικόνα, μπορούμε να δούμε ότι το νερό ρέει πάντα προς τα κάτω και ποτέ δεν ανεβαίνει αυτόματα.

2. Ένα ζεστό τσάι γίνεται κρύο αυθόρμητα, αλλά δεν μπορεί να ζεσταθεί ξανά αυτόματα.

3. Η διαρροή αέρα από το μπαλόνι από μόνη της είναι ένα παράδειγμα αυθόρμητης διαδικασίας:

Γνωρίζουμε ότι ο αέρας δεν μπαίνει ποτέ από μόνος του μέσα στο μπαλόνι. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί με βάση τη δήλωση εντροπίας του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.

4. Δύο αέρια θα αναμειχθούν αυτόματα από μόνα τους είναι ένα παράδειγμα αυθόρμητης διαδικασίας:

Από το παραπάνω διάγραμμα, είναι σαφές ότι τα αέρια θα αναμειχθούν μόνα τους, το οποίο είναι ένα παράδειγμα του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.

5. Η πέτρα που πέφτει στο έδαφος από μόνη της είναι ένα παράδειγμα της αυθόρμητης διαδικασίας:

Η παραπάνω διαδικασία πτώσης πέτρας δείχνει ότι είναι μια αυθόρμητη διαδικασία και η εντροπία του σύμπαντος αυξάνεται.

6. Το λιώσιμο του πάγου από μόνο του είναι ένα παράδειγμα αυθόρμητης διαδικασίας:

Η παραπάνω διαδικασία τήξης των πάγων δείχνει ότι είναι μια αυθόρμητη διαδικασία και η εντροπία του σύμπαντος αυξάνεται.

7. Ένα αέριο καταλαμβάνει ολόκληρο τον όγκο του δοχείου:

Εάν εισάγουμε αέριο στο κλειστό δοχείο, το αέριο θα καταλάβει ολόκληρο τον χώρο του δοχείου.

8. Αφού κάψετε ένα θυμιατό σε ένα δωμάτιο, το άρωμα απλώνεται σε ολόκληρο το δωμάτιο. Είναι μια αυθόρμητη διαδικασία και η εντροπία του σύμπαντος αυξάνεται.

Παράδειγμα βασισμένο στη δήλωση του Kelvin Planck

9. Ο κινητήρας αυτοκινήτων και ποδηλάτων είναι ένα παράδειγμα του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής:

Όπως γνωρίζουμε ότι η δήλωση του Kelvin Planck:

"Είναι αδύνατο να δημιουργηθεί μια συσκευή (παρούσα σε έναν κύκλο) που μπορεί να λειτουργήσει σε μία μόνο πηγή θερμότητας και να μετατρέπει ολόκληρη τη θερμότητά της εντελώς σε εργασία."

Σε έναν κινητήρα αυτοκινήτου και ποδηλάτου, υπάρχει μια δεξαμενή υψηλότερης θερμοκρασίας (όπου παράγεται η θερμότητα) και μια δεξαμενή χαμηλότερης θερμοκρασίας (όπου απελευθερώνεται η θερμότητα).

Έτσι, σύμφωνα με τη δήλωση του Kelvin Planck, θα πρέπει να υπάρχουν τουλάχιστον δύο θερμικές δεξαμενές (η μία σε υψηλότερη θερμοκρασία και η άλλη σε χαμηλότερη θερμοκρασία) για να λειτουργήσει ο κινητήρας.

Παράδειγμα βασισμένο στη δήλωση του Clausius

Σύμφωνα με τη δήλωση του Clausius:

"Η θερμότητα δεν μπορεί να ρέει από ένα πιο κρύο αντικείμενο σε ένα πιο ζεστό αντικείμενο."

10. Ψυγείο που χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να αλλάξει την κατεύθυνση της ροής θερμότητας

Στο ψυγείο, η θερμότητα ταξιδεύει από τη χαμηλότερη θερμοκρασία (μέσα στο ψυγείο) στην υψηλότερη θερμοκρασία (έξω από το ψυγείο). Η ροή θερμότητας είναι δυνατή λόγω της παροχής εξωτερικής ηλεκτρικής ενέργειας σε αυτό το ψυγείο. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται στον συμπιεστή του ψυγείου για την παραγωγή μηχανικού έργου.