II zakon termodinamike

1. II zakon termodinamike Poglavlje 2.3 Pravac spontanih promena Drugi zakon termodinamike-definicije Karnoova teorema i ciklus Termodinamička temperaturska

2. Prvi zakon termodinamike: • Energija univerzuma je konstantna-energija je konzervirana • Ovaj zakon ne kaže ništa o spontanosti fizičkih i hemijskih promena Razmotrimo nastajanje vode: H2(g) + 1/2O2(g)  H2O (t) ΔfH0=-286 kJ/mol Korišćenjem I zakona lako računamo ΔUiΔHza spontanu reakciju ali isto i za reakciju u suprotnom smeru koja se ne dešavaspontano Šta je sa gasovima? Iz iskustva znamo da se gasovi spontano šire ispunjavajući raspoloživi sud a suprotno se ne dešava samo od sebe dok se ne izvrši neki rad da bi se promena desila u suprotnom smeru. Ni veličina ni znak ΔU i ΔH ne određuju put kojim će se promena desiti. Informaciju o tome dobijamo iz II zakona termodinamike.

3. Primeri procesa koji se odigravaju u određenom smeru: • Šolja tople kafe ostavljena u hladnoj sobi će se ohladiti • Voda teče nadole • Rastvorak difunduje iz koncentrovanijeg u razblaženiji rastvor • Gvožđe postepeno rđa ali nikada se ponovo ne idvaja Fe i O2 • Toplota uvek prelazi iz oblasti više temperature u oblast niže temperature

4. Spontani procesi spontano • Gasovi se šire iz oblasti visokog u oblast niskog pritiska Procesi spontani pri datim uslovima samo u jednom smeru a ne i u obrnutom.

5. Spontani procesi su oni koji se dešavaju sami od sebe odn. • bez intervencije spolja bilo koje vrste. • Na osnovu iskustva zaključujemo da je uzrok svih spontanih procesa • nepostojanje termodinamičke ravnoteže. Njihova bitna karakteristika • je da se oni u početno (neravnotežno) stanje ne vraćaju spontano tj. • bez spoljne intervencije, drugim rečima spontani procesi su • termodinamički ireversibilni • Svi procesi u prirodi su spontani i ireverzibilni! • Zajednički izvori ireverzibilnosti: • konačna brzina promene • trenje • iznenadno širenje ili sabijanje • razmena toplote između tela sa konačnom razlikom temperature • Kvazireverzibilni procesi: veoma sporo širenje ili sabijanje bez trenja, • sporo hlađenje ili zagrevanje

6. 3 2 1 2 Toplota reakcije (H) & Spontane Promene Sve reakcije sagorevanja su spontane i egotermne: CH4 (g) + 2 O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O(g) Horxn = -802 kJ Gvožđe rđa spontano i egzotermno: 2 Fe(s) + O2 (g) Fe2O3 (s)  Horxn = -826 kJ Jonska jedinjenja nastaju spontano iz elemenata uz veliko oslobadjanje toplote:  Horxn = -411 kJ Na(s) + Cl2 (g) NaCl(s) Na 1 atm, voda mrzne ispod 0°C ali se topi iznad 0°C. Oba procesa su spontana, ali je prvi egzoterman a drugi endoterman. H2O(l) H2O(s)Horxn = -6.02 kJ (egzoterman; spontan na T < 0oC) H2O(s) H2O(l)Horxn = +6.02 kJ (endoterman; spontan na T > 0oC)

7. Veza I i II zakona termodinamike • Zadovoljavanje samo I zakona ne garantuje da će se proces desiti • I zakon ne daje ograničenja u pogledu pravca i smera procesa • Iz iskustva znamo da će se neki proces odvijati u određenom smeru a ne u suprotnom i II zakon je u vezi sa ovim • Proces se neće desiti ako nisu zadovoljeni i I i II zakon

8. Osnov II zakona • II zakon tvrdi da energija ima i kvantitet i kvalitet. • I zakon se odnosi na količinu energije i njene transformacije, dok II zakon obezbeđuje sredstvo da se odredi njen kvalitet kao i stepen degradacije energije tokom procesa (Rezervoar energije • na višoj temperaturi ima viši kvalitet jer je moguće lakše iskoristiti • njegovu energiju za vršenje rada) • Drugi zakon termodinamike daje kriterijum za mogućnost, odnosno verovatnoću odigravanja određenog termodinamičkog procesa. • Drugi važan aspekt drugog zakona termodinamike je u vezi konverzije u rad apsorbovane energije kao toplote. • II zakon se takođe koristi da se odredi teorijska granica za realizaciju sistema u praksi (npr.tehnički sistemi)

9. II zakon termodinamike se može izraziti na različite načine. • Kelvin-Planck-ova definicija: • “Nemoguće je napraviti mašinu koja bi radeći u ciklusu uzimala toplotu iz rezervoara konstantne temperature i pretvarala je u ekvivalentnu količinu rada bez ikakvih promena u sistemu i okolini” Lord Kelvin (1824-1907) Max Planck (1858-1947)

10. prevedeno … Ni jedna toplotna mašina ne može imati efikasnost 100% tj. perpetuum mobile II vrste je nemoguće realizovatiili Da bi mašina radila radni fluid mora razmenjivati toplotu sa okolinom (utok) i izvorom TH QH Toplotna masina Wnet

11. Hladno Toplo • Clausius-ova definicija • “Nemoguće je napraviti mašinu koja bi radeći u kružnom procesu, prenosila toplotu sa hladnijeg na topliji sistem, bez ikakvih drugih promena na ovim sistemima i okolini” Rudolf Clausius (1822-1888)

12. Naime, svima je poznat prirodni prelaz toplote sa toplijeg na hladnije telo kao npr. sa Sunca na Zemlju. Obrnut proces se ne odvija prirodno, spontano, samo od sebe, bez intervencije spolja. Mašina koja prenosi toplotu sa hladnijeg na toplije telo je frižider i motor omogućava njegov rad. TH QH • Kao i drugi prirodni zakoni i II zakon je baziran na eksperimentalnim opažanjima • Kao i K-P i ova definicija je • negacija i ne dokazuje se • Do danas nije izveden eksperiment koji je suprotan II zakonu Heat pump QL TL

13. Ludwig Boltzmann-ova definicija: “U zatvorenom adijabatskom sistemu entropija ne može nikada opadati. Stoga je visok nivo organizacije veoma malo verovatan.” Ludwig Boltzmann (1844-1906)

14. Makroskopska priroda II zakona Drugi zakon termodinamike odnosi na makroskopske sisteme koji su osnova ljudskog posmatranja i iskustva. Ako bi se međutim posmatrali sistemi koji se sastoje od svega nekoliko molekula, spontani procesi bi mogli biti povratni.

15. Makroskopska priroda II zakona Samo su 2 stanja (25 %) u kojima su svi molekuli u istom balonu od od 8 mogućih stanja. Najverovatnije stanju u kome su molekuli raspoređeni u oba balona.

16. Toplotne mašine • Uvod • Rad može lako preveden u druge oblike energije, ali prevođenje drugih oblika energije u rad je teško • Rad može biti preveden u toplotudirektno i kompletno, ali prevođenje toplote u rad zahteva korišćenje posebne opreme • Toplotne mašine • Sistemi koji prevode toplotu u rad • Karakteristike toplotnih mašina • Primaju toplotu od izvora visoke temperature • Pretvaraju deo toplote u rad • Oslobađaju višak toplote u utok niske temperature • Rade u ciklusu

17. Rezervoar Termalne Energije • RezervoarTermalne Energije (Toplotni Rezervoar) • Hipotetičkotelo relativno velikog toplotnog kapaciteta koji može davati ili apsorbovati konačnu količinu energije bez ikakve promene temperature • Primeri • Velika količina vode (okeani, jeera, reke) • Atmosfera • Izvor • Rezervoar koji daje energiju u obliku toplote • Utok • Rezervoar kojiapsorbuje energiju u obliku toplote

18. Toplotna mašina Primer toplotne mašine – Parna turbina • Qin → količina energije predata pari • u bojleru kao izvoru visoke temperatureQout → količina energije oslobođena iz pare utoku niske temperature • Wout → količina rada pare koja se širi u turbini • Win → količina rada potrebna da se komprimuje voda u bojler • Radni fluid • Fluid kome se i od koga se toplota • prenosi tokom ciklusa

19. Toplotna efikasnost • Toplotna Efikasnost (h) • Deo toplote prevedene u rad • Mera karakteristike toplotne mašine

20. Karnoova teorema Sve periodične, reverzibilne toplotne mašine koje rade između dve iste temperature imaju istu efikasnot ili iskorišćenje. To znači da efikasnost toplotne mašine koja radi reverzibilno, ni na koji način ne zavisi od prirode radne supstancije u sistemu ili od načina rada, već zavisi samo od temperatura rezervoara i za date temperature, ovakva mašina ima maksimalnu efikasnot. Teoremu je Karno dokazao negacijom negacije, pokazujući da je suprotno tvrđenje od navedene teoreme nemoguće. Toplota razmenjena na T1: q1’-q1 Izvršeni rad: w’-w kako je: q1’= w’-q2 i -q1=q2-w  q1’-q1=w’-w suprotmo II akonu termodinamike

21. Karnoov ciklus Sadi Carnot

22. Karnoov ciklus • Carnot-ovciklus • Ciklus koji se sastoji od četiri reveribilna procesa: dva izotermska i dva adijabatska. Radni fluid je 1 mol gasa u idealnom gasnom stanju • Proces 1 → 2 • Reverzibilnoizotermskoširenje od zapremine V1do V2na temperaturiT2izvora gde gas vrši rad (podiže teg)w1i prima toplotu q2 od izvora • Proces 2 → 3 • Reverzibilnoadijabatsko širenje od zapremineV2doV3gde gas vrši rad w2(podiže teg) na račun sopstvene unutrašnje energijeusled čega se hladi do temperatureT1utoka

23. Karnoovciklus • Proces 3 → 4 • Reveribilno izotermsko sabijanje od zapremine V3do V4gde sistem prima rad w4 (teg se spušta) na temperaturi hladnijeg utoka T1i oslobađa toplotuq1 • Proces 4 → 1 • Reverzibilnoadijabatsko sabijanje od zapremine V4do početne V1gde gas prima rad w4(teg se spušta) i zagreva se do početne temperature T2 izvora

24. 1 TH=constant QH 2 Pressure Specific Volume Proces 1-2 Reverzibilan izotermski rad na višoj temperaturi TH > TL koji se vrši na račun apsorbovane toplote

25. 1 TH=constant QH 2 Pressure 3 Specific Volume Proces 2-3 Reverzibilnaadijabatska ekspanzijatokom koje sistem vrši rad pri čemu temperatura radne supstancije opadaod THdo TL.

26. 1 TH=constant QH 2 Pressure QL 4 3 TL=constant Specific Volume Proces 3-4 Sistem je doveden u kontakt sa toplotnim rezervoarom pri TL < THi dolazi do reverzibilneizotermskerazmene toplote dok se rad sabijanja vrši na sistemu.

27. 1 TH=constant QH 2 Pressure QL 4 3 TL=constant Specific Volume Proces 4-1 A reverzibilnaadijabatskaickompresija koji dovodi do porasta temperature radnog fluidaod TLdo TH

28. Izvođenje Karnoovog ciklusa u zatvorenom sistemu Izotermski Izotermski Adijabatski Adijabatski

29. Karnoov ciklus • P-V dijagram Karnoovog ciklusa • Površine ispod krivih predstavlaju granični rad u kvazi-ravnotežnom procesu • Površina ispod krivih • 1 → 2 → 3:Rad koji gas vrši tokom eksanzionog dela ciklusa • Površina ispod krivih • 3 → 4 → 1:rad koji gas vrši tokomkompresionogdela ciklusa • Površina obuhvaćena ciklusom:Predstavlja čist rad izvršen za vreme ciklusa

30. Obrnut Karnoov ciklus Obrnut Karnoov ciklus je frižider ili toplotna pumpa

31. Karnoovciklus

32. Karnoovciklus • Karnoova toplotna mašina • Termalna efikasnostrealnih toplotnih mašina može se povećati apsorbovanjem toplote iz rezervoara na što višoj temperaturi i oslobađanjem toplote na što nižoj temperaturi hladnijeg rezervoara • Što je temperatura izvora viša to se više termalne energije može transformisati u rad tj. Viši je kvalitet energije.

33. Karnoova teorema • Efikasnost ireverzibilne mašine uvek je manja od efikasnosti reverzibilne mašine kada rade imeđu istih izvor i utoka • Efikasnost svih reverzibilnih mašina između dva ista rezervoara je ista

34. Termodinamičkatemperaturskaskala • Termodinamička temperaturskaskala • Temperaturska skalakoja je nezavisna od osobina termometarske supstancije • Razvojthermodinamičke temperaturske skale • Prema Karnoovoj teoremi sve reveribilne toplotne mašine imaju istu termalnu efiksanost kada rade između dva ista rezervoara • Sledi da je efikasnost toplotne mašine nezavisna od osobina radnog fluida, načina na koji se ciklus izvodi i tipa korišćene reverzibilne mašine • To uključuje da je termalna efikasnost reverzibilne toplotne mašine samo funkcija temperature brezervoara ili

35. Termodinamičkatemperaturskaskala • Za reverzibilne toplotne mašine koje rade između dva rezervoara temperaturaTLiTHmožemo pisati: • Drugi zakon termodinamike govori o odnosu toplota prenetih toplotnom mašinom tokom reverzibilnog ciklusa • Nekoliko funkcijaf(T)zadovoljava gornji uslov, izbor je arbitraran • Uzimamof(T) = T, kako je originalno predložio Lord Kelvin a prema definiciji efikasnosti toplotne mašine imamo:

36. Termodinamičkatemperaturskaskala • Ovo je Kelvinova termodinamička temperaturska skala • Odnos temperatura zavisi od odnosa toplota razmenjenih između reverzibilne toplotne mašine i rezervoara • Skala je nezavisna od fizičkih osobina bilo koje supstancije • Nulta temperatuta je temperatura utoka mašine koja ima jediničnu • efikasnost • Temperature variraju između nule i beskonačno • Vrednost kelvina je ustanovljena tako da trojna tačka vode ima temperaturu od 273,16 • Temperatura rezervoara na nekoj temperaturi • se dobija merenjem efikasnosti toplotne mašine • koja radi između toplijeg rezervoara koji je na • temperaturi trojne tačke vode i rezervoara koji • je na traženoj temperaturi. Lord Kelvin