Principiul II
Primul principiu al termodinamicii evidentiaza faptul ca, în natura, orice proces termodinamic poate avea loc numai si numai în conditiile conservarii energiei. Se pot imagina însa multe procese termodinamice în care, desi s-ar putea asigura conservarea energiei, ele nu au loc în natura niciodata de la sine.
Astfel, primul principiu al termodinamicii nu exclude posibilitatea trecerii caldurii de la un corp cu o temperatura data la un alt corp cu o temperatura mai ridicata, impunând numai egalitatea dintre caldura cedata de corpul cu temperatura mai mica si caldura primita de corpul cu temperatura mai ridicata. Experimentele arata ca asemenea procese nu au loc în natura niciodata de la sine. Se mentioneaza ca ne referim la procesele care au loc spontan, adica de la sine, într-un sistem izolat, fara interventii din exteriorul sistemului.
De asemenea, primul principiu al termodinamicii arata ca, într-un proces ciclic, se poate efectua lucru mecanic numai daca sistemul termodinamic primeste caldura din exterior, fara a introduce limitari referitoare la modul în care este primita caldura si transformarea integrala a caldurii in lucru mecanic.
Se constata însa, experimental ca este imposibila realizarea unui perpetuum mobile de speta a II-a , adica a unui motor termic care, într-un proces ciclic, ar efectua lucru mecanic primind caldura de la o singura sursa sau ar transforma integral caldura primita in lucru mecanic.
Masinile termice sunt sisteme termodinamice ce realizeaza transformarea energiei tremice in energie mecenica sau a energiei mecanice in energie termica intr-un proces ciclic.
Motorul termic este masina termica ce realizeaza transformarea energiei termice partial in energie mecanica.
Qp = |Qc|+ L ,
Qp caldura primita (energia consumata), Qc caldura cedata, L lucrul mecanic efectuat (energia utila)
Randamentul motorului termic este definit prin relatia
η = L / Qp
Masina frigorifica este o masina termica ce realizeaza transformarea energiei mecanice in energie termica, racind o incinta sub temperatura mediului inconjurator.
Rentabilitatea transformarii energiei esta data de eficienta masinii frigorifice definita prin relatia
ε = Q2 / |L|
Q2 caldura preluata de la incinta reprezinta energia utila, L lucrul mecanic primit reprezinta energia consumata
Pompa de caldura este o masina termica ce realizeaza transformarea energiei mecenice in energie termica, incalzind o incinta peste
sau η = 1 – ( |Qc|/ Qp) , η < 1
temperatura mediului inconjurator.
Rentabilitatea transformarii energiei esta data de eficienta pompei de caldura definita prin relatia
ε = |Q1 |/ |L|, ε > 1
Aceste constatari au condus la necesitatea formularii unui nou principiu al termodinamicii, care sa stabileasca în ce conditii procesele termodinamice pot avea loc de la sine si respectiv conditiile în care, intr- un proces ciclic, caldura poate transformata în lucru mecanic.
Daca primul principiu al termodinamicii arata legatura cantitativa dintre caldura si lucru mecanic, cel de al doilea principiu al termodinamicii evidentiaza deosebiri calitative între caldura si lucru mecanic, care pot fi sintetizate atfel:
L⇒Q, L= Q, lucrul mecanic L poate fi transformat integral în caldura Q,
Q⇒L, Q > L , caldura Q nu poate fi niciodata transformata integral în lucru mecanic L.
Se mai spune ca este imposibila transformarea caldurii în lucru mecanic fara compensatie, adica fara ca o parte din aceasta caldura sa produca schimbari în mediul ambiant, referindu-ne numai la procesele ciclice, deoarece in cele neciclice (izoterme), caldura se transforma integral în lucru mecanic.
Principiul II
Formularea CLAUSIUS: Nu este posibila o transformare care sa aiba ca rezultat trecerea, de la sine, a caldurii de la un corp cu temperatura data la un alt corp cu o temperatura mai ridicata.
Formularea THOMSON: Într-o transformare ciclica monoterma, un sistem termodinamic nu poate efectua lucru mecanic în exterior. Daca transformarea ciclica monoterma este si ireversibila, atunci sistemul primeste lucru mecanic din exterior.
Formularea CARNOT: Randamentul ciclului Carnot nu depinde de natura substantei de lucru, ci numai de temperaturile extreme T1 si T2 ale celor doua surse, T 2< T 1 ;
Randamentul oricarei transformari ciclice este mai mic decat randamentul ciclului Carnot reversibil care functioneaza intre aceleasi temperaturi extreme.
ηC = 1 – ( T2 / T1 )
T2 = Tr , temperatura sursei reci, T1 = Tc , temperatura sursei calde
Conform formularii Thomson intr-o transformare ciclica biterma (schimb de caldura cu doua surse sau termostate) caldura primita de sistem poate fi transformata partial in lecru mecanic.
În orice transformare ciclica biterma, substanta de lucru preia caldura Qp de la sursa cald si cedeaza caldura Qc sursei reci, ceea ce înseamna ca, pe întregul ciclu, substanta de lucru schimba cu exteriorul caldura:
Q = Qp + Qc = Qp - |Qc|
Procesul fiind ciclic, potrivit primului principiu al termodinamicii, rezulta:
∆U = Q – L = Qp - |Qc| - L = 0
Astfel, substanta de lucru efectueaza, într-un ciclu, lucrul mecanic:
L = Qp - |Qc| > 0
Conform definitiei randamentului motorului termic
η = L / Qp
se observa ca randamentul oricarui motor termic este subunitar, deci caldura poate fi transformata partial în lucru mecanic.
Realizarea unei motor termic cu randamentul η =1 ar însemna obtinerea unui motor termic monoterm (Qc=0), ceea ce este exclus de principiul al II-lea al termodinamicii.
sau η = 1 – ( |Qc|/ Qp) , η < 1