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Deuxième loi de la thermodynamique

Deuxième loi de la thermodynamique

La deuxième loi de la thermodynamique est un principe de la thermodynamique classique qui établit l'irréversibilité de nombreux événements thermodynamiques, tels que le passage de la chaleur d'un corps chaud à un corps froid. Contrairement à d'autres lois de la physique telles que la loi de la gravitation universelle ou les équations de Maxwell, le second principe est fondamentalement lié à la flèche du temps.

La seconde loi de la thermodynamique a diverses formulations équivalentes, dont l'un est basé sur l'introduction d'une fonction d'état, l'entropie: dans ce cas, le second principe est que le « entropie d'un système isolé loin de l'équilibre thermique tend augmenter au fil du temps jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. En mécanique statistique, classique et quantique, l'entropie est définie à partir du volume dans l'espace de phase occupé par le système pour satisfaire automatiquement (par construction) le second principe.

Formulations de la deuxième loi de la thermodynamique

Il existe de nombreuses formulations équivalentes de ce principe. Ceux qui ont historiquement prouvé être les plus importants sont:

"Il est impossible d'effectuer une transformation dont le seul résultat est de transférer la chaleur d'un corps plus froid à un corps plus chaud sans la contribution du travail extérieur" (formulation de Clausius).

« Il est impossible de faire une transformation cyclique dont le résultat est seulement la transformation au travail toute la chaleur absorbée par une source homogène » (formulation Kelvin - Planck).

"Il est impossible de fabriquer une machine thermique dont l'efficacité est de 100%".

En physique moderne, cependant, la formulation la plus largement utilisée est celle basée sur la fonction entropique:

"Dans un système isolé, l'entropie est une fonction qui ne diminue pas avec le temps"

Ce principe a eu un impact significatif d'un point de vue historique. En effet, il sanctionne implicitement l'impossibilité de réaliser le soi-disant mouvement perpétuel de la seconde espèce et par l'irréversibilité des processus thermodynamiques, une flèche du temps est définie.

Les deux principes de la thermodynamique macroscopique s'appliquent également aux systèmes ouverts et sont généralisés par l'exergie.

Équivalence des deux premières déclarations

L'équivalence de la phrase de Kelvin-Planck et de la phrase de Clausius peut être montrée par l'argument suivant pour l'absurde.

Dans ce qui suit, par souci de concision et de clarté qu'ils seront désignés par la déclaration proposition correspondante Kelvin Kelvin sans Kelvin sa négation, avec l'énoncé de proposition correspondant Clausius Clausius Clausius et non sa négation.

Kelvin implique Clausius

Schématisation d'une machine thermique basée sur une machine anti-Clausius, qui viole la déclaration de Kelvin

On suppose qu'il est absurde que la déclaration Clausius est fausse, à savoir il y a une machine de refroidissement cyclique capable de transférer la chaleur d'une source froide à chaud, sans la contribution du travail externe.

Soit Q la quantité transférée pour chaque cycle de la machine de la source froide à la source chaude.

Ensuite, nous pouvons faire un travail du moteur thermique entre les deux sources, de sorte qu'il reste dans chaque cycle une quantité de chaleur Q « de la source de chaleur, le transfert à la quantité froide QA et convertir la différence Q » - Q au travail.

La source froide subit alors aucun transfert de chaleur net et, par conséquent, notre système machines thermiques est évacuer la chaleur, généralement, seule la source chaude, produisant un travail uniquement en violation de la formulation de Kelvin-Planck du second principe .

Clausius implique Kelvin

Schématisation d'une machine thermique basée sur une machine anti-Kelvin, qui viole la déclaration de Clausius.

Supposons maintenant que nous puissions convertir complètement la chaleur en travail, extrait par une machine cyclique à partir d'une seule source S à température constante.

Soit L un tel travail extrait dans un cycle.

Ensuite, nous pouvons prendre une deuxième source S 'à une température plus élevée et faire fonctionner une machine frigorifique entre les deux sources, qui absorbe le travail produit par l'autre machine dans chaque cycle.

Par conséquent, il y a un transfert net de chaleur de la source froide S vers la source chaude S ', en violation de la déclaration Clausius.

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Dernier examen: 17 mai 2018

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