Ovaj zakon termodinamike govori o usmjerenosti termodinamičkog procesa te o uvjetima pod kojima su termodinamički procesi mogući, a pod kojima nisu.
Zamislite situaciju u kojoj postoje dva jezera na različitim visinama i vodopad kojim se voda izlijeva iz višeg jezera u niže. Iskustveno je poznato da će voda uvijek padati iz jezera koje se nalazi na višoj visini u jezero na nižoj visini te da nije moguć spontan prijelaz vode iz nižeg jezera u više.
Tako je i kod topline: toplina uvijek spontano prelazi s tijela više temperature na tijelo niže temperature.
Zatvorena posuda i propeler pokretan težinom utega
Promotrimo zatvorenu i toplinski izoliranu posudu u kojoj se nalazi zrak. Padanje utega uzrokuje vrtnju propelera u posudi, što će prouzročiti zagrijavanje zraka.
Mehanička energija nastala padanjem utega prelazi u unutarnju energiju zraka. Pritom nema gubitka topline jer je sustav posude sa zrakom toplinski izoliran. Dakle, unutarnja je energija zraka povećana. Nije moguća situacija u kojoj bi se smanjenjem unutarnje energije zraka ponovno podignuo uteg u početni položaj, iako je energetska jednadžba prvog zakona termodinamike za ovaj proces zadovoljena.
Ta bi situacija bila protivna drugom zakonu termodinamike po kojemu je takav događaj podizanja utega na račun unutarnje energije plina nemoguć.
Mehanička energija može se u potpunosti pretvoriti u toplinsku energiju, ali se toplinska energija ne može u potpunosti pretvoriti u mehaničku energiju.
U jedinici 2.7. Toplinski stroj proučavali smo uvjete i načine pod kojim rade toplinski strojevi.
Toplinski stroj koji daje rad djeluje između dvaju spremnika topline s različitim temperaturama. Spremnik više temperature predaje toplinu toplinskom stroju, a pritom mu se ne promijeni temperatura. Toplinski stroj dio te topline pretvori u rad, a dio topline preda spremniku niže temperature.
Premda je bilo pokušaja da se konstruiraju procesi koji bi svu toplinsku energiju pretvorili u rad, dosadašnje iskustvo pokazuje da oni nisu mogući. Također, nije moguće konstruirati stroj koji bi odvodio toplinu iz spremnika niže temperature prema spremniku više temperature, bez uloženog rada.
Upravo s tim u vezi jest drugi zakon termodinamike.
Nije moguće konstruirati stroj koji bi davao rad bez utroška energije.
Perpetuum mobile druge vrste
Clausiusova formulacija - blok dijagram
Perpetuum mobile druge vrste moguće je izreći dvjema formulacijama.
Jedna je Clausiusova formulacija koja navodi da nije moguće konstruirati stroj koji bi u kružnom procesu svu toplinu hladnijeg spremnika davao toplijem spremniku bez obavljanja rada iz okoline.
Zanimljivost
Rudolf Julius Emanuel Clasius
Rudolf Julius Emanuel Clausius rođen je u gradu Koszalin u Poljskoj, nekad Köslin u Kraljevini Pruskoj, 2. siječnja 1822., a umro je u Bonnu 24. kolovoza 1888. Bio je njemački teorijski fizičar.
Radio je kao profesor na sveučilištima u Berlinu, Zürichu, Würzburgu i Bonnu. Jedan je od utemeljitelja termodinamike te je zaslužan što se termodinamika razvila u znanost.
Kelvin-Planckova formulacija
Druga je Kelvin-Planckova formulacija: ne postoji stroj koji bi u kružnom procesu uzimao toplinu iz jednog toplinskog spremnika i u potpunosti je pretvarao u rad.
Zanimljivost
William Thomson - Lord Kelvin
William Thomson poznat pod imenom Lord Kelvin rođen je 26. lipnja 1824. godine u Belfastu u Irskoj, a umro je 17. prosinca 1907. godine u Largsu u Škotskoj. Osim što je otkrio postojanje apsolutne nule, koja se u fizici označava s
zaslužan je za definiranje prvog i drugog zakona termodinamike. Mjerna jedinica za termodinamičku temperaturu upravo nosi naziv po njegovu imenu - kelvin.
Pogledajte pažljivo snimku pokusa i nakon toga pokušajte odgovoriti na pitanja koja slijede.
Pokus - Model toplinskog stroja
Na slici je shematski prikaz pokusa.
Zanimljivost
Max Planck
Max Planck rođen je u Kielu u Njemačkoj 23. travnja 1858., a umro je u Göttingenu u Njemačkoj 4. listopada 1947. Planck je osnivač kvantne teorije, za koju je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1918. godine. Uz mnoge doprinose u fizici, Planck je zaslužan i za definiranje zakona u termodinamici.
Koji uvjet mora biti ispunjen da plovak potone?
Gustoća plovka (zraka i vode u njemu) mora biti veća od gustoće vode.
Što se događa s plovkom tijekom zagrijavanja vode?
Plovak se giba prema gore i zatim se spušta. To se ponavlja nekoliko puta.
Može li se objasniti gibanje plovka?
Što se događa sa zrakom u plovku tijekom gibanja gore-dolje?
Zrak se u epruveti širi pa iz plovka istiskuje vodu. Šireći se zrak obavlja rad, voda djelomično izlazi iz epruvete, plovak izranja. Pri površini je voda hladnija, zrak se sažima, voda ulazi u plovak i on ponovno tone...
U jednom trenutku plovak se zaustavio na površini vode, pri otvoru posude. Zašto stroj više "ne radi"?
Temperatura se izjednačila u svim slojevima vode.
Kako bismo mogli vratiti plovak na dno posude?
Može se staviti malo hladne vode ili leda i dalje zagrijavati.
Koji uvjet mora biti ispunjen kako bi se plovak stalno gibao gore-dolje?
Mora postojati razlika u temperaturama vode pri dnu i na vrhu posude.
Odredite radno tijelo, spremnik više i spremnik niže temperature u pokusu.
Spremnik više temperature plamenik je koji grije dno posude i vodu.
Spremnik niže temperature okolni je zrak pri otvoru posude.
Radno tijelo zrak je u plovku.
Entropija
Clausius je 1865. godine razvio koncept entropije kako bi se moglo i računski dokazati koji su procesi mogući ili nisu. Entropija ustvari predstavlja analitičku formulaciju drugog zakona termodinamike. Clausius je entropiju definirao kao fizikalnu veličinu koja opisuje promjenu stanja termodinamičkog sustava. Entropija se označava sa , a kako je u termodinamici zanimljiva promjena entropije, nju ćemo označavati sa
Pomoću vrijednosti promjene entropije može se zaključiti je li riječ o mogućem ili nemogućem termodinamičkom procesu.
Promjena entropije definira se izrazom pri čemu je razlika topline koju sustav izmjenjuje s okolinom, a temperatura sustava. Mjerna jedinica za entropiju jest
Kad se entropija sustava ne mijenja, tada je i govorimo o reverzibilnim procesima. Kod ireverzibilnih procesa vrijedi
U stvarnosti su prisutni samo ireverzibilni procesi, tako da se entropija stalno povećava. Procesi u kojima je entropija stalna idealizacije su stvarnosti.
Entropija je jedan od najsloženijih pojmova u znanosti o toplini. Ponekad se o entropiji govori kao mjeri koja opisuje uređenost, odnosno neuređenost sustava.
Kutak za znatiželjne
Entropija - mjera nereda sustava
Potražite na internetu pojmove entropija, red i nered, reverzibilnost i ireverzibilnost te se prisjetite što ste u sklopu Kemije rekli o entropiji i entalpiji. Načinite izvještaj u obliku plakata pa ga prezentirajte pred razredom.
Kad se komad leda grije izvorom topline koji mu preda topline, jedan se dio leda rastali, a nastala voda ima temperaturu
koja je jednaka temperaturi leda. Koliko se pri tome promijeni entropija leda, odnosno vode?
Možda ste u formulu za entropiju uvrstili temperaturu u Celzijevim stupnjevima umjesto u kelvinima.
Pokušajte ponovno.
Bravo! To je točan rezultat.
Ipak je moguće izračunati
Pomoć:
Pri rješavanju ovog zadatka koristite se formulom za entropiju koja se navodi u tekstu ove jedinice.
null
...i na kraju
Drugi zakon termodinamike govori o uvjetima pod kojima toplina prelazi u rad. Toplinski strojevi pretvaraju toplinu u rad, ali imaju određena ograničenja. O njima govore perpetuum mobile prve vrste i perpetuum mobile druge vrste. Nema matematičke formulacije kojom se može prikazati drugi zakon termodinamike, stoga entropija u svojoj jednostavnoj matematičkoj formulaciji daje određenu definiciju drugog zakona termodinamike. Valja napomenuti da je pojam entropije vrlo složen.
Početna veličina slova
