ΔΕΥΤΕΡΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ

ΔΕΥΤΕΡΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ

ΔΕΥΤΕΡΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Η θερμοδυναμική έκανε τα πρώτα της βήματα στις αρχές του 19ου αιώνα,προσπαθώντας να δώσει λύση στα πρακτικά προβλήματα που επέβαλε η χρήση των θερμικών μηχανών.

Ο Nicolas Léonard Sadi Carnot (1,Ιουνίου 1796-24,Αυγ 1832) ήταν Γάλλος στρατιωτικός μηχανικός.Συχνά περιγράφεται ως ο "πατέρας της θερμοδυναμικής",για τις έννοιες όπως ο Βαθμός απόδοσης Carnot,το θεώρημα Carnot,η μηχανή Carnot και άλλες

 Την αφορμή για να διατυπωθεί ο 2ος νόμος της θερμοδυναμικής,έδωσε το 1824 ο Nicolas Sadi Carnot,ένας Γάλλος μηχανικός του στρατού 28 ετών,που έγραψε μια πραγματεία πάνω στην απόδοση των ατμομηχανών η οποία έφερε επανάσταση στη θερμοδυναμική,πριν ακόμα η μικροσκοπική πλευρά της θερμικής ενέργειας είναι γνωστή και πριν διατυπωθεί ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής.Περιείχε αυτή η πραγματεία όλο το υπόβαθρο του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.

ΔΙΑΤΥΠΩΣΗ ΑΠΟ ΤΟΥΣ KELVIN-PLANCK

 Από τη σχέση e=1-|Qc|/Qh παρατηρούμε ότι ο συντελεστής απόδοσης μιας θερμικής μηχανής είναι μικρότερος από ένα.Θα ήταν ένα αν η μηχανή μετέτρεπε όλο το ποσό της θερμότητας σε ωφέλιμο έργο.Όμως αυτό είναι πρακτικά αδύνατο και κανένας δεν κατόρθωσε να κατασκευάσει μια τέτοια μηχανή.Όλες οι μηχανές εκμεταλλεύονται μόνο ένα μέρος της θερμότητας και αποβάλλουν σημαντικά ποσά θερμότητας στο περιβάλλον.

Όλες οι μηχανές εκμεταλλεύονται μόνο ένα μέρος της θερμότητας και αποβάλλουν σημαντικά ποσά θερμότητας στο περιβάλλον

 Οι αποτυχίες των επιστημόνων να κατασκευάσουν την θερμική μηχανή που θα μετέτρεπε πλήρως τη θερμότητα σε ωφέλιμο έργο έπεισαν ότι η αδυναμία οφείλεται σε περιορισμούς που θέτει η ίδια η φύση.

Ο Ουίλιαμ Τόμσον,1ος Βαρώνος Κέλβιν,Μέλος του Τάγματος της Αξίας,Μεγαλόσταυρος Ιππότης του Βασιλικού Βικτωριανού Τάγματος,Μέλος του Συμβουλίου Επικρατείας του Ηνωμένου Βασιλείου,Μέλος της Βασιλικής Εταιρείας,Μέλος της Βασιλικής Εταιρείας του Εδιμβούργου (1824-1907) ήταν Σκωτσέζος φυσικός που το 1892 απέκτησε τίτλο ευγενείας και ονομάστηκε "Βαρώνος Κέλβιν" από την ομώνυμη περιοχή.Στη βιβλιογραφία είναι γνωστός και ως Λόρδος Κέλβιν,ιδιαίτερα γνωστός από την επινόηση της θερμοκρασιακής κλίμακας Kelvin, η οποία αρχίζει από το απόλυτο μηδέν

 Η διαπίστωση αυτή οδήγησε στη διατύπωση του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου,από τους Kelvin και Planck (Κέλβιν και Πλανκ): 

Είναι αδύνατο να κατασκευάσουμε θερμική μηχανή που να μετασχηματίζει τη θερμότητα σε ωφέλιμο έργο κατά 100%

 Είναι αδύνατο να κατασκευάσουμε θερμική μηχανή που να μετασχηματίζει τη θερμότητα σε ωφέλιμο έργο κατά 100%.

ΔΙΑΤΥΠΩΣΗ ΑΠΟ ΤΟΝ CLAUSIUS

 Η θερμότητα,από μόνη της,μεταφέρεται πάντα από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα.Η αντίστροφη πορεία απαιτεί  δαπάνη ενέργειας.Το ψυγείο και το κλιματιστικό είναι μηχανήματα που αναγκάζουν τη θερμότητα να μεταφερθεί από ψυχρά σώματα σε θερμότερα.

Η θερμότητα,από μόνη της,μεταφέρεται πάντα από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα

 Το ψυγείο,για παράδειγμα,μεταφέρει θερμότητα από τα τρόφιμα στο περιβάλλον,που είναι θερμότερο.Για να λειτουργήσουν αυτές οι μηχανές δαπανούμε ενέργεια.Δεν είναι δυνατόν να κατασκευαστεί ψυγείο που να λειτουργεί χωρίς να δαπανάται ενέργεια. 

Ο Rudolf Julius Emanuel Clausius (Γενάρη,1822-24,Αυγούστου,1888),ήταν Γερμανός φυσικός και μαθηματικός και θεωρείται ένα από τους ιδρυτές της επιστήμης της θερμοδυναμικής.Με την επαναδιατύπωση της αρχής του κύκλου Carnot,έβαλε τη θεωρία της θερμότητας σε μια πιο αληθινή και πιο ορθολογική βάση.Το 1850 δημοσιεύσε την μηχανική θεωρία της θερμότητας, που ανέφερε αρχικά τις βασικές ιδέες του  δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.Το 1865 εισήγαγε την έννοια της εντροπίας

 Αυτή η διαπίστωση οδήγησε σε μια  άλλη διατύπωση του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου από τον Clausious (Κλαούζιους):

 Είναι αδύνατο να κατασκευάσουμε μηχανή που να μεταφέρει θερμότητα από ένα ψυχρό σώμα σε ένα θερμότερο χωρίς να προσφερθεί ενέργεια με τη μορφή μηχανικού έργου πάνω στη μηχανή από το εξωτερικό περιβάλλον

 Είναι αδύνατο να κατασκευάσουμε μηχανή που να μεταφέρει θερμότητα από ένα ψυχρό σώμα σε ένα θερμότερο χωρίς να προσφερθεί ενέργεια με τη μορφή μηχανικού έργου πάνω στη μηχανή από το εξωτερικό περιβάλλον.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΔΥΟ ΔΙΑΤΥΠΩΣΕΙΣ

 Οι δύο διατυπώσεις του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής αποδεικνύεται ότι είναι εντελώς ισοδύναμες.Δηλαδή οποιαδήποτε υποθετική μηχανή παραβιάζει τη μια διατύπωση,παραβιάζει και την άλλη.Αν αληθεύει η μία από αυτές θα αληθεύει και η άλλη.Χωρίς μέχρι τώρα να έχουν βρεθεί οποιεσδήποτε εξαιρέσεις.

Οι δύο διατυπώσεις του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής αποδεικνύεται ότι είναι εντελώς ισοδύναμες

 Η δεύτερη διατύπωση κάνει αδύνατη π.χ. την κατασκευή ενός ψυγείου που θα λειτουργούσε χωρίς δαπάνη κάποιας μορφής ενέργειας.

Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος καθορίζει την κατεύθυνση προς την οποία τα φαινόμενα συμβαίνουν αυθόρμητα στη φύση

 Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος,καθορίζοντας ότι η θερμότητα μεταφέρεται πάντα  από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα,καθορίζει την κατεύθυνση προς την οποία τα φαινόμενα συμβαίνουν αυθόρμητα στη φύση.

Για το 2ο θερμοδυναμικό νόμο δεν υπάρχει μαθηματική απόδειξη.Αποτελεί μια αρχή που δικαιολογείται από ότι αυτή και οι προβλέψεις της έχουν πειραματική μαρτυρία

 Είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι για το 2ο θερμοδυναμικό νόμο δεν υπάρχει μαθηματική απόδειξη.Αποτελεί μια αρχή που δικαιολογείται από ότι αυτή και οι προβλέψεις της έχουν πειραματική μαρτυρία.Έχει την πιο μεγάλη γενικότητα από οποιαδήποτε αρχή στην επιστήμη.Είναι δε ίσως ο περισσότερο μη <<ανακλήσιμος>> νόμος της φύσης και έχει την μικρότερη πιθανότητα να αλλάξει ή να απορριφθεί στο μέλλον.