ĐỊNH LUẬT THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC: CÔNG THỨC, PHƯƠNG TRÌNH, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học có một số hình thức biểu diễn. Một trong số đó tuyên bố rằng không có động cơ nhiệt nào có khả năng chuyển đổi hoàn toàn tất cả năng lượng mà nó hấp thụ thành công có thể sử dụng được (công thức Kelvin-Planck). Một cách phát biểu khác là nói rằng các quá trình thực xảy ra theo nghĩa là chất lượng năng lượng thấp hơn vì entropi có xu hướng tăng lên.

Định luật này, còn được gọi là nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học, đã được thể hiện theo những cách khác nhau theo thời gian, từ đầu thế kỷ XIX đến nay, mặc dù nguồn gốc của nó bắt nguồn từ việc tạo ra động cơ hơi nước đầu tiên ở Anh. , vào đầu thế kỷ 18.

Hình 1. Khi ném các khối xây dựng xuống đất, sẽ rất ngạc nhiên nếu chúng rơi theo thứ tự. Nguồn: Pixabay.

Nhưng mặc dù nó được thể hiện theo nhiều cách, ý tưởng rằng vật chất có xu hướng trở nên rối loạn và không có quy trình nào là hiệu quả 100%, vì tổn thất sẽ luôn tồn tại.

Tất cả các hệ thống nhiệt động lực học đều tuân thủ nguyên tắc này, bắt đầu từ chính vũ trụ cho đến tách cà phê sáng chờ đợi lặng lẽ trên bàn trao đổi nhiệt với môi trường.

Cà phê nguội dần theo thời gian, cho đến khi nó ở trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường, vì vậy sẽ rất ngạc nhiên nếu một ngày nào đó điều ngược lại xảy ra và môi trường nguội đi trong khi cà phê tự nóng lên. Nó khó có thể xảy ra, một số người sẽ nói là không thể, nhưng chỉ cần tưởng tượng nó là đủ để có được ý tưởng về cảm giác mà mọi thứ xảy ra một cách tự nhiên.

Trong một ví dụ khác, nếu chúng ta trượt một cuốn sách trên mặt bàn, thì cuối cùng nó sẽ dừng lại, vì động năng của nó sẽ bị mất dưới dạng nhiệt do ma sát.

Định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học được thiết lập vào khoảng năm 1850, nhờ các nhà khoa học như Lord Kelvin - người tạo ra thuật ngữ "nhiệt động lực học" -, William Rankine - tác giả của văn bản chính thức đầu tiên về nhiệt động lực học - và Rudolph Clausius.

Công thức và phương trình

Entropy - được đề cập ở phần đầu - giúp chúng ta thiết lập cảm giác mà mọi thứ xảy ra. Hãy quay lại ví dụ về các vật thể tiếp xúc nhiệt.

Khi hai vật ở các nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau và cuối cùng sau một thời gian đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt, thì chúng được dẫn đến nó do entropi đạt cực đại, khi nhiệt độ của cả hai bằng nhau.

Ký hiệu entropy là S, sự thay đổi trong entropy ΔS của một hệ được cho bởi:

Sự thay đổi entropi ΔS cho biết mức độ rối loạn trong một hệ thống, nhưng có một hạn chế trong việc sử dụng phương trình này: nó chỉ áp dụng cho các quá trình thuận nghịch, tức là những quá trình trong đó hệ thống có thể trở lại trạng thái ban đầu mà không cần rời dấu vết của những gì đã xảy ra-.

Trong các quá trình không thuận nghịch, định luật thứ hai của nhiệt động lực học xuất hiện như sau:

Quy trình có thể đảo ngược và không thể đảo ngược

Tách cà phê luôn nguội và là một ví dụ điển hình về một quá trình không thể đảo ngược, vì nó luôn xảy ra theo một hướng. Nếu bạn thêm kem vào cà phê và khuấy, bạn sẽ có được một sự kết hợp rất dễ chịu, nhưng cho dù bạn khuấy lại bao nhiêu lần nữa, bạn sẽ không có cà phê và kem riêng biệt nữa, bởi vì việc khuấy là không thể đảo ngược.

Hình 2. Vỡ cốc là một quá trình không thể đảo ngược. Nguồn: Pixabay.

Mặc dù hầu hết các quá trình hàng ngày là không thể đảo ngược, nhưng một số gần như có thể đảo ngược. Khả năng đảo ngược là một lý tưởng hóa. Để điều này xảy ra, hệ thống phải thay đổi rất chậm, sao cho tại mỗi điểm nó luôn ở trạng thái cân bằng. Bằng cách này có thể đưa nó trở lại trạng thái cũ mà không để lại dấu vết xung quanh.

Các quy trình khá gần với lý tưởng này sẽ hiệu quả hơn, vì chúng mang lại khối lượng công việc lớn hơn với mức tiêu thụ năng lượng ít hơn.

Lực ma sát chịu trách nhiệm cho phần lớn sự không thuận nghịch, bởi vì nhiệt tạo ra bởi nó không phải là dạng năng lượng được tìm kiếm. Trong cuốn sách trượt ngang mặt bàn, nhiệt ma sát là năng lượng không thu hồi được.

Ngay cả khi cuốn sách quay trở lại vị trí ban đầu của nó, chiếc bàn sẽ vẫn nóng như một dấu vết của việc đến và tiếp tục nó.

Bây giờ hãy nhìn vào một bóng đèn sợi đốt: hầu hết công việc được thực hiện bởi dòng điện qua dây tóc bị lãng phí nhiệt do hiệu ứng Joule. Chỉ một tỷ lệ nhỏ được sử dụng để phát ra ánh sáng. Trong cả hai quá trình (cuốn sách và bóng đèn), entropi của hệ thống đã tăng lên.

Các ứng dụng

Động cơ lý tưởng là động cơ được chế tạo bằng các quá trình thuận nghịch và không có ma sát gây lãng phí năng lượng, chuyển đổi hầu hết nhiệt năng thành công năng sử dụng được.

Chúng tôi gần như nhấn mạnh từ này, bởi vì ngay cả động cơ lý tưởng, là của Carnot, cũng không hiệu quả 100%. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học lưu ý rằng đây không phải là trường hợp.

Động cơ carnot

Động cơ Carnot là động cơ hiệu quả nhất có thể được tạo ra. Nó hoạt động giữa hai bể nhiệt độ trong hai quá trình đẳng nhiệt - ở nhiệt độ không đổi - và hai quá trình đoạn nhiệt - mà không truyền năng lượng nhiệt.

Biểu đồ được gọi là PV - biểu đồ áp suất-thể tích - làm rõ tình hình trong nháy mắt:

Hình 3. Bên trái sơ đồ động cơ Carnot và bên phải sơ đồ PV. Nguồn: Wikimedia Commons.

Ở bên trái, trong hình 3 là sơ đồ của động cơ Carnot C, lấy nhiệt Q ₁ từ thùng ở nhiệt độ T ₁ , chuyển nhiệt đó thành công W và chuyển chất thải Q ₂ sang thùng lạnh hơn, ở nhiệt độ T ₂ .

Bắt đầu từ A, hệ thống nở ra cho đến khi đến B, hấp thụ nhiệt ở nhiệt độ cố định T ₁ . Ở B, hệ thống bắt đầu giãn nở đoạn nhiệt trong đó không có nhiệt lượng thu được hoặc mất đi, để đến C.

Ở C, một quá trình đẳng nhiệt khác bắt đầu: quá trình truyền nhiệt cho mỏ nhiệt khác lạnh hơn ở T ₂ . Khi điều này xảy ra, hệ thống nén và đạt đến điểm D. Bắt đầu quá trình đoạn nhiệt thứ hai để quay trở lại điểm bắt đầu A. Bằng cách này, một chu trình được hoàn thành.

Hiệu suất của động cơ Carnot phụ thuộc vào nhiệt độ tính bằng Kelvin của hai bể chứa nhiệt:

Định lý Carnot nói rằng đây là động cơ nhiệt hiệu quả nhất hiện có, nhưng đừng quá vội vàng mua nó. Hãy nhớ những gì chúng ta đã nói về khả năng đảo ngược của các quy trình? Chúng phải xảy ra rất, rất chậm, vì vậy công suất đầu ra của máy này thực tế là con số không.

Sự trao đổi chất của con người

Con người cần năng lượng để giữ cho tất cả các hệ thống của họ hoạt động, do đó chúng hoạt động giống như những cỗ máy nhiệt nhận năng lượng và biến nó thành năng lượng cơ học để chuyển động chẳng hạn.

Hiệu suất của cơ thể con người khi thực hiện công việc có thể được định nghĩa là thương số giữa năng lượng cơ học mà nó có thể cung cấp và tổng năng lượng đầu vào đi kèm với thực phẩm.

Vì công suất trung bình P _m là công mà W thực hiện trong khoảng thời gian Δt, nó có thể được biểu thị bằng:

Nếu ΔU / Δt là tốc độ năng lượng được thêm vào thì hiệu suất của cơ thể trở thành:

Qua nhiều thử nghiệm với các tình nguyện viên, hiệu suất lên tới 17% đã đạt được, cung cấp khoảng 100 watt điện trong vài giờ.

Tất nhiên, điều đó sẽ phụ thuộc phần lớn vào nhiệm vụ được thực hiện. Đạp xe đạp có hiệu suất cao hơn một chút, khoảng 19%, trong khi các công việc lặp đi lặp lại bao gồm xẻng, cuốc và cuốc chỉ khoảng 3%.

Ví dụ

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học tiềm ẩn trong tất cả các quá trình xảy ra trong Vũ trụ. Entropy luôn tăng, mặc dù trong một số hệ thống, nó dường như giảm. Để điều này xảy ra, nó đã phải tăng ở nơi khác, để trong tổng số dư, nó là số dương.

- Trong học tập có entropi. Có những người học mọi thứ tốt và nhanh chóng, cũng như có thể dễ dàng ghi nhớ chúng sau này. Người ta nói rằng họ là những người có entropy học thấp, nhưng chắc chắn họ ít hơn những người có entropy cao: những người cảm thấy khó nhớ hơn những thứ họ học.

- Một công ty có công nhân vô tổ chức có nhiều công nhân hơn là một công ty trong đó công nhân thực hiện nhiệm vụ một cách có trật tự. Rõ ràng là cái sau sẽ hiệu quả hơn cái trước.

- Lực ma sát tạo ra ít hiệu quả hơn trong hoạt động của máy móc, vì chúng làm tăng lượng năng lượng tiêu tán không thể sử dụng hiệu quả.

- Lăn xúc xắc có entropy cao hơn so với tung đồng xu. Rốt cuộc, tung đồng xu chỉ có 2 kết quả có thể xảy ra, trong khi tung con súc sắc có 6. Càng nhiều sự kiện có khả năng xảy ra thì càng có nhiều entropy.

Bài tập đã giải

Bài tập 1

Một xi lanh pít tông chứa đầy hỗn hợp chất lỏng và hơi nước ở 300 K và nhiệt lượng 750 kJ được truyền cho nước bằng một quá trình đẳng áp. Kết quả là chất lỏng bên trong xi lanh hóa hơi. Tính sự thay đổi entropi trong quá trình.

Hình 4. Hình cho ví dụ đã giải quyết 1. Nguồn: F. Zapata.

Giải pháp

Quá trình được mô tả trong tuyên bố được thực hiện ở áp suất không đổi trong một hệ thống kín, không trải qua quá trình trao đổi khối lượng.

Vì nó là sự hóa hơi, trong đó nhiệt độ cũng không thay đổi (trong quá trình thay đổi pha, nhiệt độ không đổi), có thể áp dụng định nghĩa về sự thay đổi entropi nêu trên và nhiệt độ có thể đi ra ngoài tích phân:

ΔS = 750.000 J / 300 K = 2.500 J / K.

Vì nhiệt đi vào hệ thống, sự thay đổi entropi là dương.

Bài tập 2

Một chất khí bị tăng áp suất từ ​​2,00 đến 6,00 atm (atm), duy trì thể tích không đổi là 1,00 m ³ , sau đó nở ra ở áp suất không đổi cho đến khi đạt thể tích 3,00 m ³ . Cuối cùng nó trở lại trạng thái ban đầu. Tính xem trong 1 chu kỳ thực hiện được bao nhiêu công.

Hình 5. Quá trình nhiệt động trong chất khí chẳng hạn 2. Nguồn: Serway -Vulle. Cơ bản của Vật lý.

Giải pháp

Đó là một quá trình tuần hoàn trong đó biến thiên nội năng bằng không, theo định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, do đó Q = W. Trong biểu đồ PV (áp suất - thể tích), công thực hiện trong một quá trình tuần hoàn là tương đương. đến khu vực được bao quanh bởi đường cong. Để đưa ra kết quả trong Hệ thống quốc tế, cần thực hiện thay đổi đơn vị đo áp suất bằng cách sử dụng hệ số chuyển đổi sau:

1 atm = 101,325 kPa = 101,325 Pa.

Diện tích được bao bởi đồ thị tương ứng với diện tích của một tam giác có đáy (3 - 1 m ³ ) = 2 m ³ và chiều cao là (6 - 2 atm) = 4 atm = 405.300 Pa

W _ABCA = ½ (2 m ³ x 405300 Pa) = 405300 J = 405,3 kJ.

Bài tập 3

Một trong những cỗ máy hiệu quả nhất từng được chế tạo được cho là tuabin hơi đốt than trên sông Ohio, được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy phát điện hoạt động trong khoảng 1870 đến 430 ° C.

Hãy tính: a) Hiệu suất lý thuyết cực đại, b) Cơ năng mà máy mang lại nếu cứ mỗi giây nó hút 1,40 x 10 ⁵ J năng lượng từ bình nóng. Hiệu suất thực tế được biết là 42,0%.

Giải pháp

a) Hiệu suất cực đại được tính theo công thức trên:

Để thay đổi độ C. thành kelvin, chỉ cần thêm 273,15 vào nhiệt độ độ C.

Nhân với 100% cho hiệu suất phần trăm tối đa, là 67,2%

c) Nếu hiệu suất thực là 42% thì có hiệu suất cực đại là 0,42.

Công suất cơ học được truyền là: P = 0,42 x 1,40 x10 ⁵ J / s = 58800 W.

Người giới thiệu

1. Bauer, W. 2011. Vật lý cho Kỹ thuật và Khoa học. Tập 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Nhiệt động lực học. Bản 7 ^ma . Đồi McGraw.
3. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 4. Chất lỏng và Nhiệt động học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược.
5. López, C. Định luật Nhiệt động lực học đầu tiên. Phục hồi từ: cultureuracientifica.com.
6. Serway, R. 2011. Các nguyên tắc cơ bản của Vật lý. 9 ^na Cengage Learning.
7. Đại học Sevilla. Máy nhiệt. Phục hồi từ: laplace.us.es