Calcolo del cambiamento di Entropia

Entropia

ha lo stesso valore indipendentemente dal percorso, purché il percorso sia reversibile

è un differenziale esatto di qualche che è identica all’entropia

solo per processi reversibili

1. L’entropia è una funzione di stato. Il cambiamento di entropia è determinato solo dai suoi stati iniziali e finali

2. Nell’analisi del processo irreversibile, non è necessario fare un’analisi diretta del processo reversibile reale.

Sostituire il processo reale con un processo reversibile immaginario. Il cambiamento di entropia per il processo reversibile immaginario è uguale a quello di un processo irreversibile tra gli stati finale e iniziale dati.

(a) Assorbimento di energia da un serbatoio a temperatura temperatura costante

L’energia può essere aggiunta in modo reversibile o irreversibile come calore o come lavoro.

Esempio:-

Il contenuto di un grande serbatoio a temperatura costante mantenuto a 500 K è continuamente agitato da una ruota a pale guidata da un motore elettrico. Stimate il cambiamento di entropia del serbatoio se la ruota a pale viene azionata per due ore da un motore da 250W.

Il lavoro della ruota a pale convertito in energia interna – un processo irreversibile. Immaginate un processo reversibile con aggiunta di energia identica

(b) Riscaldamento o raffreddamento della materia

per il riscaldamento a volume costante

per riscaldamento a pressione costante

, per pressione costante

, per il processo a volume costante

Esempio: –

Calcolare l’entropychange se 1kg di acqua a 300 C viene riscaldato a 800C a 1bar di pressione. Il calore specifico dell’acqua è 4.2kJ/kg-K

(c) Cambio di fase a temperatura e pressione costante temperatura e pressione costante

Esempio:-

Il ghiaccio si scioglie a 00C con calore latente di fusione= 339.92 kJ/kg. L’acqua bolle a pressione atmosferica a 1000C con hfg= 2257 kJ/kg.

(d) Adiabaticmixing

Esempio:-

Un blocco di acciaio di massa 30kg a 4270 C viene fatto cadere in 100kg di olio a 270C.I calori specifici dell’acciaio e dell’olio sono rispettivamente 0,5kJ/kg-K e 3,0 kJ/kg-K. Calcolare la variazione di entropia dell’acciaio, dell’olio e dell’universo.

T= temperatura finale di equilibrio.

o T=319K

Tds relazioni

Dalla definizione di entropia,

dQ = Tds

dW = PdV

Quindi,

TdS = dU + PdV

Ovvero, Tds = du + Pdv

Questa è conosciuta come la prima Tds o, equazione di Gibbs.

La seconda equazione di Tds si ottiene eliminando du dall’equazione precedente usando la definizione di entalpia.

h = u + Pv à dh = du + vdP

Quindi, Tds = dh – vdP

Le due equazioni possono essere riorganizzate come

ds = (du/T) + (Pdv/T)

ds = (dh/T) – (vdP/T)

Cambio di stato per un gas ideale

Se un gas ideale subisce un cambiamento da P1, v1, T1 a P2, v2,T2 il cambiamento di entropia può essere calcolato ideando un percorso reversibile che colleghi i due stati dati.

Consideriamo due percorsi con cui un gas può essere portato dallo stato iniziale, 1 allo stato finale, 2.

Il gas nello stato 1 viene riscaldato a pressione costante fino a raggiungere la temperatura T2 e poi viene portato reversibilmente e isotermicamente alla pressione finale P2.

Percorso 1-a: processo reversibile a pressione costante.

Percorso a-2: reversibile,isotermico

Ds1-a = òdq/T = òCp dT/T = Cpln(T2/T1)

Dsa-2 = òdq/T = ò(du+Pdv)/T = ò(Pdv)/T = Rln(v2/va)

(Poiché du = 0 per processo anisotermico)

Siccome P2v2= Pava = P1va

Oppure, v2/va = P1/P2

Or, Dsa-2 = -Rln(P2/P1)

Quindi, Ds = Ds1-a + Dsa-2

= Cp ln(T2/T1)- Rln(P2/P1)

Percorso 1-b-2: Il gas inizialmente nello stato 1 è riscaldato a volume costante alla temperatura finale T2 e poi è cambiato reversibilmente e isotermicamente alla pressione finale P2.

1-b: processo reversibile a volume costante

b-2: processo reversibile e isotermico

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