background image

Wykład 8 

8.1  Cykle termodynamiczne maszyn cieplnych 

8.2  Nierówność Clausiusa 

8.3  Makroskopowa definicja entropii oraz zasada wzrostu 
entropii 

8.4  Entropia dla czystej substancji 

8.6  Cykl Carnota 

8.5  Entropia dla gazu doskonałego 

8.7  Energia dostępna i niedostępna 

8.8  II zasada termodynamiki dla układu otwartego 

8.9  Mikroskopowa interpretacja entropii 

background image

8.1.1  Temperatura termodynamiczna 

8.1 Cykle termodynamiczne maszyn cieplnych 

Załóżmy, że mamy do dyspozycji dwie dwie odwracalne 
maszyny cieplne pracujące cyklicznie: 

T

2

 

T

1

 

Q

2A

 

T

2

 

T

1

 

Q

2B

 

W

A

 

W

B

 

background image

=                                 =  

energia użyteczna 

energia włożona 

uzyskana praca 

zużyte ciepło 

W rozważanym przypadku będzie to: 

2

Q

W

t

Cykle A i B mogą być skonstruowane różnie. Załóżmy, że 
wydajność cyklu A jest większa od wydajności cyklu B, oraz 
że 
                                     Q

2A

 = Q

2B 

 

Wtedy W

A  

> W

i Q

1A 

< Q

1B. 

Ponieważ obydwie maszyny są odwracalne, maszynę B 
można odwrócić i połączyć z maszyną A. Uzyskujemy wtedy 
sytuację jaka jest przedstawiona na następnym rysunku. 

Wydajność cieplna 

t

 cyklicznej maszyny cieplnej jest 

zdefiniowana następująco: 

background image

Widzimy, że otrzymalibyśmy cykl, w którym                                
W

A

 - W

= Q

1B

 – Q

1A

,   jednak narusza sformułowanie 

Kelvina-Plancka II zasady termodynamiki . Czyli założenie, 
że 

A

 > 

B  

było niesłuszne. 

T

2

 

T

1

 

Q

2A

 

W

A

 

W

B

 

T

2

 

T

1

 

Q

2B

 

W

A

 - W

B

 

T

2

 

T

1

 

background image

Można więc stwierdzić, że: „wszystkie odwracalne maszyny 
cieplne pracujące pomiędzy tymi samymi temperaturami, 
mają tą samą wydajność”. 

2

1

2

1

2

2

1

Q

Q

Q

Q

Q

Q

W

t

Możemy również wyciągnąć wniosek, że Q

1

/Q

2

 jest funkcją tych 

temperatur. Mielibyśmy więc zależność: 

)

,

(

2

1

2

1

T

T

f

Q

Q

Można pokazać, że, 

)

(

)

(

2

1

2

1

T

F

T

F

Q

Q

Gdzie F jest pewną nową funkcją. 

background image

Zależność ta

 

może być spełniona przez wiele funkcji F. 

Kelvin zaproponował, aby przyjąć najprostszą postać tej 
funkcji, czyli 

2

1

2

1

T

T

Q

Q

i równocześnie uznać to równanie za definicję bezwzględnej 
temperatury termodynamicznej. 

Wydajność odwracalnej maszyny cieplnej pracującej 
pomiędzy dwoma zbiornikami ciepła o temperaturach T

N

 – 

niższej i T

W

 – wyższej, jest dana przez wyrażenie; 

W

N

t

T

T

1

background image

8.2  Nierówność Clausiusa 

 

Rozważmy urządzenie, które obiera   

ilość ciepła d’Q

Z  

ze zbiornika o stałej 

temperaturze T

Z  

i transportuje to 

ciepło do dwracalnej maszyny Z 
produkującej  pracę w ilości d’W

Z

Ciepło odrzucone przez 
maszynę Z zasila cykliczną 
maszynę

 

C produkującą 

pracę w ilości d’W

C

Rozważając obydwie 
maszyny jako jeden 
system, całkowita praca 
wykonana jest równa: 

 

     

d’W =d’W

Z

 + d’W

C

 

Maszyna 
cykliczna 

Maszyna 
odwracalna 

T

Z

 

d’Q

Z

 

d’W

Z

 

d’Q 

d’W

C

 

background image

Q

d

W

d

T

T

Q

d

T

T

Q

d

W

d

C

Z

Z

Z

Z

'

'

)

1

(

'

)

1

(

'

'

czyli 

T

T

Q

d

T

T

Q

d

W

d

Z

Z

'

)

1

1

(

'

'

Równanie to dla pełnego cyklu przyjmuje postać 

T

Q

d

T

W

d

Z

'

'

Urządzenie pokazane na rysunku nie może wykonać pracy, 
gdyż proces jest sprzeczny ze sformułowaniem Kelvina - 
Plancka II zasady termodynamiki.  
Urządzenie to może pracować tylko z cyklicznym wkładem 
pracy i cyklicznym przekazywaniem ciepła do zbiornika. 

W oparciu o wydajność odwracalnego silnika Z, możemy 
napisać: 

background image

Matematycznie oznacza to 

0

'W

d

gdzie d’W jest wynikową pracą. Można również 
napisać, że 

0

'

T

Q

d

Ta ostatnia nierówność jest nazywana nierównością 
Clausiusa. 

Do tej pory nie braliśmy pod uwagę faktu, że silnik C może 
być odwracalny. Załóżmy, że tak jest, oraz, że 

0

'W

d

background image

10 

0

'W

d

Jest to niemożliwe, gdyż stworzylibyśmy perpetuum mobile 
II rodzaju. Wynika stąd, że dla procesów odwracalnych w 
równaniu  musi obowiązywać równość, czyli 

0

)

'

(

odwr

T

Q

d

8.3  Makroskopowa definicja entropii oraz 
zasada wzrostu entropii 

Wyrażenie pod całką musi być różniczką zupełną 
pewnej funkcji stanu.  Możemy więc napisać 

odwr

T

Q

d

dS

)

'

(

Jeżeli C jest silnikiem odwracalnym, to otrzymujemy, 

background image

11 

Funkcję S w ostatnim równaniu nazywamy entropią. 
Równanie to przedstawia makroskopową definicję entropii. 
Entropia jest zdefiniowana tylko dla procesów 
odwracalnych, a zmianę wartości entropii można policzyć z 
zależności; 

odwr

T

Q

d

S

S

S

)

'

(

2

1

1

2

Rozważmy dwa dowolne punkty stanu naszego układu. 

Proces 
Nieodwracalny 

Proces 
Odwracalny 

Cykl=N+O 

Zgodnie z równaniem

 

0

'

'

'

1

2

2

1

T

Q

d

T

Q

d

T

Q

d

O

N

Użyliśmy znaku nierówności, 
gdyż cały cykl jest 
nieodwracalny. 

background image

12 

Wiedząc, że 

2

1

2

1

'

S

S

T

Q

d

O

Możemy poprzednie równanie napisać jako; 

2

1

1

2

2

1

2

1

'

lub

0

'

T

Q

d

S

S

S

S

T

Q

d

N

N

W ogólnym przypadku możemy 
napisać; 

2

1

1

2

'

T

Q

d

S

S

Znak nierówności jest ważny dla procesów nieodwracalnych, a 
znak równości dla odwracalnych 

background image

13 

Dla procesu adiabatycznego d’Q = 0, czyli S

2

 – S

1

  0. Jeżeli 

będzie to proces adiabatyczny odwracalny, zmiana entropii 
będzie równa zero. Proces ten nazywamy procesem 
izentropowym. 

Można powiedzieć, że żaden proces rzeczywisty nie jest 
odwracalny. Gdy proces jest nieodwracalny i adiabatyczny, 
entropia musi wzrastać. 
Dla układu izolowanego, 

0

izol

S

W oparciu o równanie

 

możemy znaleźć, że dla 
odwracalnego procesu 
izotermicznego

 

S

T

Q

izoterm

odwr

W układzie współrzędnych T i S możemy przedstawić 
adiabatyczny proces odwracalny i nieodwracalny. 

odwr

T

Q

d

dS

)

'

(

background image

14 

Pr. nieodwr. 
adiab. 

2’ 

Pr. odwracalny 
adiab.  

S

nieodwr.-

adiab.

 

Im większy jest wzrost entropii, 
tym bardziej proces jest 
nieodwracalny. Powodem 
mniejszej lub większej 
nieodwracalności procesów są 
wszelkiego rodzaju tarcia, tak 
samo jak mieszanie warzechą w 
zupie. 

8.4  Entropia dla czystej substancji 

Pokazaliśmy, że entropia jest własnością układu 
termodynamicznego i to własnością ekstensywną. Jest 
taką samą własnością jak energia całkowita, wewnętrzna 
i entalpia. Można ją liczyć z entropii właściwej. 

background image

15 

s

m

S

Dla czystych substancji entropia może być stablicowana tak 
jak entalpia, objętość właściwa, czy inna własność 
termodynamiczna. Podaje się dwojakiego rodzaju wykresy, 
zależność temperatury od entropii, czy zależność entalpii od 
entropii. Ta ostatnia zależność nazywa się wykresem 
Moliera. 

8.5  Entropia dla gazu doskonałego 

Opierając się na już wyprowadzonych zależnościach, 

dT

c

dh

dT

c

du

p

V

Oraz faktu, że dla procesu odwracalnego d’Q=Tds i 
przyjmując, że gaz idealny jest cieczą ściśliwą możemy 
napisać: 

background image

16 

ds

T

dv

p

du

Q

d

'

czyli 

dv

T

p

T

du

ds

Korzystając z równania gazu doskonałego, mamy 

v

R

T

p

czyli 

v

dv

R

T

dT

c

ds

V

Dla c

V

 = const otrzymujemy na zmianę entropii pomiędzy 

dwoma stanami gazu idealnego wyrażenie 

1

2

1

2

1

2

ln

ln

v

v

R

T

T

c

s

s

V

background image

17 

Równanie to można również napisać inaczej w oparciu o 
zależności 

p

dp

R

T

dT

c

ds

Tds

vdp

dh

Q

d

p

'

jako 

2

1

2

1

1

2

ln

ln

p

p

R

T

T

c

s

s

p

W powyzszych rownaniach zmiana entropii jest liczona 
między dwoma stanami układu termodynamicznego (p

1

,v

1

,T

1

i (p

2

,v

2

,T

2

). Ponieważ entropia jest funkcja stanu, jej zmiana 

nie powinna zależeć od procesu. 

background image

18 

8.6  Cykl Carnota 

Stwierdziliśmy do tej pory, że wydajności wszystkich cyklów 
odwracalnych pracujących pomiędzy tymi samymi 
temperaturami są takie same i dane odpowiednim rownaniem

Przykładem takiego cyklu jest cykl Carnota. 

Q

W

 

Q

N

 

T

W

=const 

T

N

=const 

T

W

 

T

N

 

Q

W

 

Q

N

 

background image

19 

1. Odwracalna przemiana izotermiczna z pobraniem 

ciepła 

2. Odwracalna przemiana adiabatyczna z pracą 

wykonana przez układ 

3. Odwracalna przemiana izotermiczna z oddaniem 

ciepła 

4. Odwracalna przemiana adiabatyczna z praca 

wykonana na układzie 

W oparciu o diagram T-S znajdujemy, 

S

T

Q

S

T

Q

N

N

W

W

Praca uzyskana jest równa: 

S

T

T

Q

Q

W

N

W

N

W

netto

)

(

Na diagramie T-S praca wykonana jest równa powierzchni  
prostokąta. 

background image

20 

Zgodnie z definicją wydajności maszyny cieplnej,  
otrzymujemy na wydajność cyklu Carnota wartość 

W

N

W

N

W

W

netto

t

T

T

S

T

S

T

T

Q

W

1

)

(

Możemy podać ogólne stwierdzenie, że dla każdego cyklu  
Odwracalnego wypadkowa praca jest równa powierzchni 
zakreślonej na diagramie T-S.  

8.7  Energia dostępna i niedostępna 

Otrzymaliśmy wyrażenie na wydajność cyklicznej maszyny 
cieplnej operującej w oparciu o dwa zbiorniki ciepła o 
różnych temperaturach. Wydajność ta zależy od najniższej 
dostępnej temperatury T

0

 , która normalnie jest średnią 

temperaturą atmosferyczną. 

background image

21 

Praca jaką możemy uzyskać pobierając ciepło d’Q ze 
zbiornika o temperaturze T jest równa: 

Q

d

T

T

W

d

'

)

1

(

'

0

Energią dostępną dla danego ukłądu nazywamy część ciepła 
dodaną do układu, która może zostać zamieniona w pracę 
przez szereg odwracalnych maszyn pracujących pomiędzy 
temperaturą układu a T

0

.  

Q

d

T

T

W

'

)

1

(

0

max

Energia niedostępna jest równa różnicy pomiędzy 
całkowitym ciepłem dodanym a uzyskaną pracą. Dla 
przejścia ze stanu 1 do 2 zakładając, że ciepło jest oddane w 
procesie odwracalnej maszyny, zachodzi; 

background image

22 

)

(

'

)

1

(

1

2

0

max

2

1

0

2

1

0

max

S

S

T

Q

W

dS

T

Q

Q

d

T

T

W

odwr

Praca niedostępna wynosi więc: 

)

(

1

2

0

S

S

T

W

nied

8.8  II zasada termodynamiki dla układu 
otwartego 

Omawialiśmy I zasadę termodynamiki dla układów otwartych, 
oraz poznaliśmy metody obliczania bilansów energii i ciepła.  
Zajmijmy się analizą układu otwartego zawartego w pewnej 
objętości kontrolnej z punktu widzenia II zasady 
termodynamiki. 

background image

23 

 

Objętość 

kontrolna 

e

i

 

e

e

 

dt

Q

'

dt

W

d

zewn

'

m

i

 

h

i

 

s

i

 

m

e

 

h

e

 

s

e

 

wlot-input 

wylot-exit 

Ponieważ entropia jest funkcją stanu może być 
transportowana tak jak entalpia czy energia wewnętrzna. 
Ciepło i praca są dodawane do granicy objętości kontrolnej. 

background image

24 

Entropia może wnikać do objętości kontrolnej przez transport 
masy lub ciepła. Entropia wpływająca z transferem ciepła może 
przenikać do objętości kontrolnej w różnych miejscach o różnej 
temperaturze i możemy ją zapisać jako: 

dt

Q

d

T

dt

dS

i

pow

i

'

1

T

odpowiada temperaturze powierzchni dla ciepła Q

Równocześnie wzrost entropii może następować na wskutek 
pewnych procesów nieodwracalnych. Może istnieć wiele 
strumieni wpływających i wypływających do objętości 
kontrolnej. Dla krótkiego przedziału czasu produkcja 
entropii będzie wynosiła;  

dt

dS

dt

Q

d

T

s

m

s

m

dt

dS

i

pow

i

i

in

i

e

out

e

wytw

'

1

background image

25 

Zgodnie z II zasadą termodynamiki 

0

wytw

dt

dS

Pamiętamy że znak = odnosi się dla procesów odwracalnych, a 
znak  > dla procesów nieodwracalnych. 
Dla stałego strumienia masy i stacjonarnego stanu naszego 
układu zachodzi                                                     , wtedy   

e

i

m

m

dt

dS

  

oraz

  

0

dt

Q

d

T

s

m

s

m

i

i

in

i

e

out

e

'

1

Dla procesu adiabatycznego i stałego strumienia masy 

i

e

s

s

background image

26 

8.9  Mikroskopowa interpretacja entropii 

Przy rozważaniu zjawisk mikroskopowych stwierdziliśmy, że 
istnieje charakterystyczna funkcja stanu, która zachowuje się tak 
jak makroskopowa entropia. 

Stwierdziliśmy też, że w izolowanym układzie cząstki dążą do 
rozkładu najbardziej prawdopodobnego, spośród wszystkich 
możliwych stanów energetycznych. Pokazaliśmy również, że 
odstępstwa parametrów cząstek od tych dla stanu najbardziej 
prawdopodobnego są mało prawdopodobne. Jest to równoważne 
stwierdzeniu, że entropia układu izolowanego dąży do swojej 
maksymalnej wartości i jest wysoce mało prawdopodobne, by 
zmniejszyła swą wartość, osiągnąwszy ją. 

Mikroskopowa definicja entropii zawiera więc tą samą informację 
co równanie - 

S

izol  

≥ 0, z wyjątkiem tego, że zasada wzrostu 

entropii staje sie zachowaniem najbardziej prawdopodobnym. 
Innym nastepstwem tego jest fakt, ze II zasada termodynamiki 
staje sie stwierdzeniem tego co najbardziej prawodopodobne.