OIL DRUM CANADA

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Dans cette maison, nous obéissons aux lois de la thermodynamique!
Posté par Libelle sur Décembre 30, 2008 - 11:11 heures dans The Oil Drum: Canada
Rubrique: Divers
Tags: énergie, entropie, la chaleur, l'original, la thermodynamique, le travail [liste de tous les tags]

Lorsque vous utilisez l'énergie, les règles sont très bien définis. La première et la deuxième lois de la thermodynamique ont été bien comprises pour plus d'un siècle, et le troisième un peu plus d'un siècle, mais le sujet est toujours considéré par la plupart comme étant assez obscur. C'est dommage, parce que ces deux lois sont d'une telle importance, et parce que presque tout le monde a une bonne compréhension de la première et la deuxième lois, même si ils pensent qu'ils ne le font pas. Comprendre les implications de la législation est une autre question.



Il existe de nombreuses versions facétieux des lois. L'ensemble j'aime le plus est:


(zeroth droit) Vous devez jouer le jeu.
(première loi) Vous ne pouvez pas gagner.
(deuxième loi) Vous ne pouvez sortir, même sur une très froide journée.
(troisième loi) Il ne fait pas froid.


Celles-ci sont étonnamment exactes.

Les lois sont, il convient de rappeler, d'expérimentation à l'origine. Le monde a été trouvé à travailler de cette façon.




Zeroth loi
Le zeroth loi stipule effectivement que, si les deux systèmes A et B sont en équilibre les uns avec les autres, et les systèmes B et C sont également en equlibrium les uns avec les autres, puis les systèmes A et C sont également en équilibre avec l'autre. Une autre façon de faire, c'est que des situations comme Escher "Waterfall" ne se produisent pas dans la vraie vie.

Vous devez jouer le jeu.




Première loi
La première loi est la loi de conservation de l'énergie. Il comprend l'équivalence de la chaleur et de travail, mais est plus générale que, dans ce qu'il existe de nombreuses formes d'énergie qui sont interconvertible, mais avec le total pour un système isolé reste constante au fil du temps. Un point qui est souvent mal compris est le rôle de l'équation E = mc2. Il s'agit généralement de se référer à une conversion de la matière en énergie, mais la réalité est plus simple. L'énergie est la masse, l'équation et vous indique combien. Peu importe ce que la conversion a lieu dans un système isolé, son énergie totale (et donc de masse) reste constante.

Vous ne pouvez pas gagner.




Deuxième loi
La deuxième loi est celle qui résulte de l'observation à chaud que perdre de la chaleur à des choses froides. C'est un processus à sens unique. Travail mécanique peut être transformée en chaleur. La chaleur peut être transformée en travail mécanique, mais il ya des limites. Les implications de cette situation sont loin, et une somme peut être déduite (et définie) à partir de cette expérience et une pensée.

Si nous avons deux réservoirs de chaleur (à la fois pratique infinie de la capacité) à des températures différentes, alors on peut construire des dispositifs qui prennent la chaleur de la plus chaude du réservoir, tourner à certaines d'entre elles en travail mécanique et de rejeter le reste à la plus froide du réservoir. Le rejet d'une partie de la chaleur a été jugée inévitable, mais la quantité de rejets de chaleur devient de moins en moins que la température de la source de chaleur est élevée. En l'absence, à ce stade, de définir ce que nous entendons par la valeur numérique de la température, nous supposons que le maximum d'efficacité de conversion est une fonction précise de ces deux températures. Moteur de l'efficacité sont généralement définis comme [travail à la chaleur en], mais dans ce cas, je vais chercher à [la chaleur de la chaleur en] ou [1 - l'efficacité]. Si les températures des deux réservoirs sont T1 et T2 et de la chaleur tirée du T1 est plus chaud, et la chaleur libérée à l'q2 est froid, alors nous dirons que:

q2/q1 = F (T2, T1) F est une fonction encore inconnue (une expression algébrique) des deux températures.

Maximum d'efficacité implique la réversibilité du processus. Un exemple de ceci est que le transfert de chaleur plus chaude du réservoir au moteur doit être réalisé sans aucune différence de température entre le réservoir et la partie du moteur qui absorbe la chaleur. S'il n'y a aucune différence, le moteur thermique fonctionne à un rendement plus faible (plus petite différence de température entre le chaud et le froid), et il ne serait pas possible de lancer le processus vers l'arrière (pas de flux de chaleur "en amont"). Il ne peut y avoir des frictions soit. Le moteur avec un maximum d'efficacité est donc réversible et peut être utilisé comme une pompe à chaleur, le pompage de la chaleur du réservoir de la fontaine la plus chaude, et nécessitant un travail mécanique pour le faire. Les valeurs de Q1 et Q2 sont les mêmes que dans le cas du moteur, mais la direction du flux est inversée et le travail est mis dans le système plutôt que d'être pris. L'absence de différences de température entre le moteur / pompe à chaleur et de ses réservoirs de chaleur signifie aussi que les processus seront infiniment lente, mais c'est le cas pour toutes ces machines idéal.

Maintenant supposons que nous disposons d'un troisième réservoir de chaleur à une température plus basse encore, T3, et un deuxième moteur qui fonctionne entre le deuxième et le troisième de réservoirs. Si la prise de chaleur à partir de la deuxième réservoir est q2 (comme rejetée par le premier moteur), et qui a rejeté à la troisième est q3, alors:

q3/q2 = F (T3, T2)

Mais on pourrait plutôt avoir utilisé un moteur directement entre le premier et le troisième de réservoirs. Ce moteur doit avoir la même efficacité que la combinaison des deux autres, parce que si elle n'a pas, alors la chaleur pourrait être exécuté en continu autour du cycle de trois moteurs, en utilisant la puissance d'un ou de deux moteurs de conduire de l'autre (s ) vers l'arrière, laissant un filet de travailler avec la production de chaleur sont prises d'un seul réservoir. Ce ne serait pas cohérente avec la façon dont les choses fonctionnent. Donc:

q3/q1 = F (T3, T1)

Mais: q3/q1 = (q3/q2) x (q2/q1)

Donc: F (T3, T1) = F (T3, T2) x F (T2/T1)

Si vous n'avez pas éteint au début de l'algèbre, il devrait être évident que, de ce fait une très grave restriction sur la nature de la fonction F. Au cours de la dernière équation, T2 disparaît du côté droit, comme un simple résultat de la multiplication. Cela signifie que F (T1, T2) doit être de la forme f (T1) / f (T2), où f est une autre fonction.

Donc: q2/q1 = f (T2) / f (T1)

Vous mai pas oublier que j'ai commencé cet argument sans définir ce que l'on entend exactement par une température. Cette équation nous donne l'occasion de définir une échelle de température, par le choix de la fonction f. C'est ce que William Thomson (plus tard Lord Kelvin) a fait en 1848. Il a choisi de f (T) qui doit être aussi simple que possible:

f (T) = T

Donc: F (T2, T1) = T2/T1 = T2/T1 et q2/q1

En d'autres termes, une échelle de température absolue peut être définie en fonction du comportement des moteurs thermiques, des propriétés indépendantes de toute substance. Si un idéal moteur thermique a un rendement de conversion de 50% (la moitié de l'apport de chaleur est transformée en travail et la moitié de la chaleur rejetée), le ratio de la chaleur à la température de la source de chaleur la température est de 2 - par définition.


Pour compléter la définition d'une telle échelle de température absolue, nous avons besoin de définir la taille d'un diplôme. Si l'on mesure la taille tels que la différence entre les points de congélation et d'ébullition de l'eau est de 100 degrés, nous avons une échelle qui peut correspondre à l'échelle Celsius, mais avec un décalage correspondant au point de congélation de l'eau sur l'échelle absolue. Ce décalage se révèle 273,15 degrés et nous avons maintenant l'échelle Kelvin.

Entropy
L'idée de l'entropie est associée dans la plupart des esprits avec les idées d'ordre et de désordre (entropie plus élevé = plus de désordre). C'est correct, mais l'origine de l'idée vient de la circulation de la chaleur. Si une quantité de chaleur q entre dans un système (en valeur absolue) de la température T, puis de l'entropie du système augmente de q / T. Telle est la définition de l'entropie. Si nous regardons le premier moteur thermique ci-dessus, l'entropie de la plus chaude du réservoir diminue de q1/T1 et que l'augmentation de la glacière par q2/T2. Si le moteur est réversible, q2/q1 = T2/T1, de sorte que le changement global de l'entropie est nulle. C'est une caractéristique du processus réversible. En véritable processus, le changement total d'entropie est toujours positif. Un exemple en est le flux de chaleur d'un corps chaud à un élément froid - le chaud corps perd l'entropie, la glacière, mais on gagne plus d'un a perdu la plus chaude, depuis le T dans le q / T est l'expression la plus petite et q est le même.


Disponible de travail, ou Exergy
Le montant maximum de travail qui pourrait être extraite en tant que produit d'un processus (c'est-à-dire, si elle produit de façon réversible) peut aisément être calculé à partir de l'énergie et l'entropie des changements entre les Etats de départ et d'arrivée du processus. C'est ce qu'on appelle parfois l'exergie disponible au départ. Juste la façon dont elle est dérivée mai mai faire l'objet d'une autre affectation. Exergy, à la différence de l'énergie, mai être détruits. L'idéal de travail n'est jamais réalisé, bien sûr, mais il est assez simple de montrer que l'exergie irrémédiablement perdu quand un changement irréversible a lieu est égale à l'augmentation de l'entropie associée à l'irréversible, multiplié par la température de l'environnement dans lequel le processus prend place. C'est la température la plus basse à laquelle la chaleur peut être rejetée par le processus. Il s'ensuit que si la température de l'environnement est le zéro absolu, il n'ya pas de perte d'exergie ou disponibles travail, quoi qu'il arrive.

Vous ne pouvez sortir, même sur une très froide journée.




Troisième loi
Il ya deux façons de la troisième loi en déclarant:

L'entropie de chaque substance à l'état pur au zéro absolu est égal à zéro.
C'est impossible à atteindre le zéro absolu en un nombre fini d'étapes.

La raison pour laquelle la seconde découle de la première est que tout processus qui réduit la température d'une substance doit comporter une étape dans laquelle le changement d'entropie. Si l'entropie de tout est nul, alors pas de changement d'entropie sont possibles et il n'y a pas moyen de le faire tout de refroidissement. En fait, la loi est observé que le changement d'entropie est toujours à zéro. Il est alors facile de déclarer tous les entropies zéro au zéro absolu, ce qui correspond à l'interprétation statistique de l'entropie. On peut obtenir de très près (en degrés) du zéro absolu - le record actuel est d'environ 10-10K, mais l'on se rapproche, plus il devient difficile de refroidir.

Il ne fait pas froid.




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In this house we obey the laws of thermodynamics!
Posted by Libelle on December 30, 2008 - 11:11 pm in The Oil Drum: Canada
Topic: Miscellaneous
Tags: energy, entropy, heat, original, thermodynamics, work [list all tags]

When you use energy, the rules are well defined. The first and second laws of thermodynamics have been well understood for more than a century, and the third a little more than a century, but the topic is still considered by most to be rather obscure. That is unfortunate, because these two laws are so important, and because almost everyone has a good understanding of the first and second laws, even if they think they do not. Understanding the implications of the legislation is another matter.



There are many versions of mischievous acts. All I like most is:


(zeroth law) You must play the game
(first law) You can not win.
(second law) You can not break even on a very cold day.
(Third Law) It is not cold.


They are surprisingly accurate.

The laws are, it should be recalled, experimentation at the outset. The world has been found to work that way.




Zeroth law
The zeroth law actually states that if two systems A and B are in equilibrium with each other, and systems B and C are also in equlibrium with each other, then systems A and C are also in equilibrium with another. Another way, is that situations like Escher "Waterfall" will not occur in real life.

You must play the game




First law
The first law is the law of conservation of energy. It includes the equivalence of heat and working conditions, but is more general in that there are many forms of energy are interconvertible, but the total for an isolated system remains constant over time. One point that is often misunderstood is the role of the equation E = mc2. It is usually refer to a conversion of matter into energy, but the reality is more simple. Energy is the mass, the equation and tells you how. Whatever the conversion takes place in an isolated system, its total energy (and hence mass) remains constant.

You can not win.




Second Act
The second law is that which results from the observation that hot losing heat to cold things. This is a one-way process. Mechanical work is transformed into heat. The heat can be converted into mechanical work, but there are limits. The implications of this are far and an amount can be deducted (and defined) from this experience and thought.

If we have two heat reservoirs (both practical infinite capacity) at different temperatures, then we can build devices that take heat from the hotter reservoir, turn some of them into mechanical work and reject the rest to the cold tank. The rejection of some of the heat was considered inevitable, but the amount of waste heat becomes less than the temperature of the heat source is high. In the absence at this stage to define what we mean by the numerical value of the temperature, we assume that the maximum conversion efficiency is a function of both temperatures. Engine efficiency is generally defined as [working in the heat], but in this case, I will look at [the heat of the heat] or [1 - effectiveness]. If temperatures are two tanks T1 and T2 and heat from the T1 is warmer and the heat released in q2 is cold, then we say that:

q2/q1 = F (T2, T1) F is an unknown function (an algebraic expression) of the two temperatures.

Maximum efficiency implies the reversibility of the process. An example of this is that the heat transfer hottest tank engine must take place without any difference in temperature between the tank and the engine that absorbs heat. If there is no difference, the heat engine operates at a lower efficiency (smaller temperature difference between hot and cold), and it would not be possible to run the process backwards (no heat flow "upstream"). There can be friction either. The engine with maximum efficiency is reversible and can be used as a heat pump, pumping heat from the reservoir of the fountain hottest and requiring mechanical work to do. The values of Q1 and Q2 are the same as in the case of the engine, but the direction of flow is reversed and the work is put into the system rather than be taken. The absence of differences in temperature between the engine / heat pump and its heat reservoirs also means that the process will be much slower, but it is the case for all these machines ideal.

Now suppose we have a third heat reservoir at a lower temperature still, T3, and a second engine that operates between the second and third reservoirs. If the heat from the second tank is q2 (rejected by the first engine) and has rejected the third q3, then:

q3/q2 = F (T3, T2)

But we could instead have used a motor directly between the first and third reservoirs. This engine must have the same efficiency as the combination of the other two, because if it did not, then the heat could be run continuously around the cycle of three engines, using the power of one or two engines driving the other (s) to the rear, leaving a net work with the production of heat is taken from a single reservoir. This is not consistent with the way things work. So:

q3/q1 = F (T3, T1)

But: q3/q1 = (q3/q2) x (q2/q1)

So: F (T3, T1) = F (T3, T2) x F (T2/T1)

If you have not turned off at the beginning of algebra, it should be obvious that this is a very serious restriction on the nature of the function F. During the last equation, T2 on the right side disappears, as a result of simple multiplication. This means that F (T1, T2) must be of the form f (T1) / f (T2), where f is another function.

So: q2/q1 = f (T2) / f (T1)

May you not forget that I started this argument without defining what is meant by a temperature. This equation gives us the opportunity to define a temperature scale, by selecting the function f. That's what William Thomson (later Lord Kelvin) was in 1848. He chose f (T) to be as simple as possible:

f (T) = T

So: F (T2, T1) = T2/T1 and T2/T1 = q2/q1

In other words, an absolute temperature scale can be defined as a function of engine thermal properties are independent of any substance. If an ideal heat engine has a conversion efficiency of 50% (half of the heat is converted into work and half of the heat rejected), the ratio of heat to the temperature of heat source temperature is 2 - by definition.


To complete the definition of such an absolute temperature scale, we need to define the size of a diploma. If we measure size as the difference between the freezing and boiling water is 100 degrees, we have a scale that may correspond to the Celsius scale, but with a lag corresponding to the point of freezing of water on the absolute scale. This discrepancy is 273.15 degrees and now we have the Kelvin scale.

Entropy
The idea of entropy is associated in most minds with the ideas of order and disorder (entropy higher = more disorder). That is correct, but the origin of the idea comes from the flow of heat. If a quantity of heat q enters a system (absolute) temperature T, then the system increases the entropy of q / T. That is the definition of entropy. If we look at the first heat engine above, the entropy of the hot reservoir decreases q1/T1 and the increase of the cooler by q2/T2. If the engine is reversible, q2/q1 = T2/T1, so the overall change in entropy is zero. It is a characteristic of the process is reversible. In real process, the total change of entropy is always positive. One example is the flow of heat from a warm body to a cooler - the hot body loses entropy, the cooler, but we win more than one has lost the hottest since the T in the q / T is the most small and q is the same.


Available work, or Exergy
The maximum amount of work that could be extracted as a product of a process (ie, if it produces a reversible manner) can be easily calculated from energy and entropy changes between States of departure and arrival process. This is sometimes called the exergy available initially. Just how it is derived in May May be another assignment. Exergy, unlike energy, may be destroyed. The ideal of work is never done, of course, but it is fairly simple to show that the exergy irretrievably lost when an irreversible change takes place is equal to the increase in entropy associated with the irreversible, multiplied by the temperature of the environment in which the process takes place. This is the lowest temperature at which heat can be rejected by the process. It follows that if the ambient temperature is absolute zero, there is no loss of exergy or available work, no matter what.

You can not escape, even on a very cold day.




Third Law
There are two ways of the third law by stating:

The entropy of each pure substance at absolute zero is zero.
It is impossible to achieve absolute zero in a finite number of steps.

The reason why the second follows from the first is that any process that reduces the temperature of a substance must contain a step in which the change of entropy. If any of the entropy is zero, then no change of entropy are possible and there is no way to do it for cooling. In fact, the law is observed that the change of entropy is always zero. It is easy to declare all entropies zero at absolute zero, which corresponds to the statistical interpretation of entropy. It can get very close (in degrees) of absolute zero - the current record is around 10-10K, but it gets closer, it becomes more difficult to cool.

It is not cold.