Toplotni stroji in entropija


P V T N Delo
         
Strojni cikel: 0      Prikaz ST diagrama:

V tej animaciji je N = nR (številska vrednost Boltzmannove konstante je  1.38 10-23 J/K, v animacijah se privzame vrednost   kB = 1 brez enote. R je univerzalna plinska konstanta 8310 J/K, T je absolutna temperatura v K, n je število molov snovi. Zaradi privzete vrednosti za kB je N potem številsko enak številu molekul v plinu, oziroma enak temu številu, če izpustimo enoto). Iz tega sledi  plinska enačba za idealni plin v obliki   pV = NT. Enote so relativne.

Ta strojni cikel - Carnotov cikel obravnavamo kot reverzibilni proces, ker ga lahko izvajamo naprej ali vzvratno-nazaj. Za reverzibilni proces definiramo spremembo entropije kot dS = dQ/T ali ΔS = ΔQ/T. (Opomba: če se spremeni T, potrebujemo nekaj računanja, tako da velja  ΔS = ∫dQ/T.)

Za Carnotov stroj računamo entropijo v enem ciklu tako, da ugotovimo spremembo entropije v vsakem koraku posebej. Kakšen je kvocient dodane ali sproščene toplote in temperature v vsakem koraku? Opazimo, da je pri obeh adiabatnih procesih, čeprav se temperatura spreminja, vnos toplote enak nič in proces je reverzibilen. Tako računanje ni potrebno in velja  ΔQ = 0. Ko seštejemo oba neničelna člena, ugotovimo, da je sprememba entropije v tem ciklu enaka nič. Drugi zakon termodinamike pravi, da je največ, kar lahko dosežemo to, da obdržimo spremembo entropije na ničli (entropija v cikličnem procesu bodisi narašča bodisi se ne spreminja).

Entropija je pri obravnavanju strojev pomembna, ker pokaže, koliko je stroj lahko učinkovit. Učinkovitost oziroma izkoristek vsakega stroja je definiran kot
(izvajano delo)/(dovajana toplota) = |A|/|Qv| , pri čemer je Qv toplota, dovajana iz skladišča z visoko temperaturo (karkoli pač segreva plin: goreči plin, vroča voda itd.). Za izračun izkoristka tega stroja vzemimo delo, ki ga opravi plin (za vse korake skupno 698 enot ) in to delimo s toploto, ki jo absorbira stroj (2079 enot v prvem koraku) in tako dobimo 0.33.

Pri idealnem stroju (nobenih izgub zaradi trenja, reverzibilni procesi) velja |A| = |Qvisoka| -|Qnizka|, izkoristek pa je |A|/|Qvisoka| = 1 - |Qvisoka|/|Qnizka|, pri čemer je Qnizka toplota, izpuščena v skladišče z nizko temperaturo. Ker je sprememba entropije pri tem ciklu enaka nič, pomeni to, da velja Qvisoka/Tvisoka + Qnizka/Tnizka = 0. Zato je za stroj, ki deluje med dvema temperaturnima skladiščema-rezervoarjema, maksimalni izkoristek 1 - |Tvisoka|/|Tnizka|.

Entropija S tako kot tlak, prostornina in temperatura spremenljivka st;anja (neodvisna od procesa) in ne tako kot delo ali toplota, ki sta odvisna od procesa. Termodinamski proces lahko zato opišemo z vključenjem entropije v graf. Nek proces pogosto opišemo z diagramom TS, ker je ploščina pod krivuljo v diagramu TS  toplota. S tem klikom spremenimo graf iz diagrama pV v diagram TS. (Opazimo, da je začetna entropija poljubna - zanima nas le sprememba entropije.)