Artikel oor die Tweede Wet van Termodinamika
Alle natuurlik voorkomende prosesse vind slegs in een rigting plaas, maar kan nie in die teenoorgestelde rigting plaasvind nie, gewoonlik onomkeerbare prosesse genoem. Nadat dit van die stam vrygestel is en vrye val Wanneer 'n mango op die grond val, beweeg dit nooit weer op nie. 'n Boek wat ons stoot en dan stop, beweeg nooit terug na ons toe nie. As ons 'n hoëtemperatuurvoorwerp (’n warm voorwerp) met 'n laetemperatuurvoorwerp (’n koue voorwerp) aanraak, vloei hitte natuurlik van die hoëtemperatuurvoorwerp na die laetemperatuurvoorwerp. Ons sien nooit die omgekeerde proses nie, waar hitte natuurlik van 'n koue voorwerp na 'n warm voorwerp beweeg. As hierdie proses sou plaasvind, sou die koue voorwerp kouer word, terwyl die warm voorwerp warmer sou word. Maar in werklikheid is dit nie die geval nie. Daar is baie onomkeerbare prosesse wat van mekaar verskil, maar hulle behels almal veranderinge in die vorm van energie en die oordrag van energie van een voorwerp na 'n ander.
Byvoorbeeld, daar is 'n kragtige aardbewing wat veroorsaak dat geboue ineenstort (geboue stort ineen as gevolg van die energie wat deur aardbewingsgolwe gedra word). Het jy al ooit gesien hoe elke deel van die ineengestorte gebou weer bymekaar kom en regop staan soos voorheen? Of, byvoorbeeld, 'n glas val op die vloer en breek... Het jy al ooit gesien hoe die glasskerwe wat op die vloer versprei is, weer bymekaar kom en 'n glas vorm wat soos voorheen heel is? Nooit gebeur nie... daar is baie ander voorbeelde.
Om termodinamiese prosesse wat in slegs een rigting plaasvind (onomkeerbare prosesse) te verduidelik, het wetenskaplikes die tweede wet van termodinamika geformuleer. Die tweede wet van termodinamika verduidelik watter prosesse in die heelal kan plaasvind en watter nie. Een wetenskaplike genaamd RJE Clausius (1822‐1888) het die volgende verklaring gemaak:
Hitte beweeg vanself van 'n hoëtemperatuurvoorwerp na 'n laetemperatuurvoorwerp; hitte sal nie vanself van 'n laetemperatuurvoorwerp na 'n hoëtemperatuurvoorwerp beweeg nie (Tweede wet van termodinamika – Clausius-stelling).
Die Clausius-stelling is 'n spesiale stelling van die tweede wet van termodinamika. Dit word 'n spesiale stelling genoem omdat dit slegs op een proses van toepassing is, naamlik hitte-oordrag. Omdat hierdie stelling nie op ander prosesse betrekking het nie, benodig ons 'n meer algemene stelling. Die ontwikkeling van die algemene stelling van die tweede wet van termodinamika was deels gebaseer op die studie van hitte-enjins. Daarom sal ons eers hitte-enjins bespreek.
HITTE-ENJIN
Baie van die energie wat ons gebruik, kom van die chemiese potensiële energie wat in petroleum, gas en steenkool voorkom. Die chemiese potensiële energie wat in petroleum, gas of steenkool voorkom, kan nie direk gebruik word nie. Petroleum, gas of steenkool moet eers verbrand word. Tipies produseer die verbranding van fossielbrandstowwe (petroleum, gas en steenkool) hitte. Hitte kan direk gebruik word om kos te kook en 'n kamer te verhit. Om iets te beweeg (byvoorbeeld om 'n voertuig te beweeg), moet ons hitte omskakel in kinetiese energie of meganiese energie (meganiese energie = potensiële energie + kinetiese energie). Om meganiese energie in hitte om te skakel is 'n baie maklike taak, maar om hitte in meganiese energie om te skakel is moeilik. Probeer om jou handpalms teen mekaar te vryf... jou handpalms is warm, reg? Wanneer ons ons handpalms teen mekaar vryf (ons doen werk), word meganiese energie in hitte omgeskakel. Die proses is baie maklik... Selfs oneindige hitte kan geproduseer word deur werk te verrig. Maar die omgekeerde proses, naamlik om hitte te gebruik om werk te verrig, is moeilik.
'n Toestel wat gebruik word om hitte te benut om werk te verrig, is eers in 1700 uitgevind. Die betrokke toestel was die stoomenjin. Stoomenjins is vir die eerste keer gebruik om water uit steenkoolmyne te pomp. Dit is belangrik om daarop te let dat die eerste gebruik van stoomenjins plaasgevind het voordat wetenskaplikes geweet het dat hitte eintlik energie is wat oorgedra word as gevolg van temperatuurverskille (die eerste wet van termodinamika was nog nie geformuleer nie).
Die gebruik van stoomenjins destyds was waarskynlik gebaseer op alledaagse ervaring wat toon dat stoom dinge kon beweeg. Stoomenjins word as hitte-enjins beskou (’n hitte-enjin = ’n toestel om hitte in meganiese energie om te skakel). Vandag word stoomenjins gebruik om elektriese energie op te wek. Moderne hitte-enjins is binnebrandenjins (motorenjins, motorfietsenjins, ens.).
Die basiese idee agter die gebruik van 'n hitte-enjin is dat hitte slegs in meganiese energie omgeskakel kan word as dit toegelaat word om van 'n hoëtemperatuurgebied na 'n laetemperatuurgebied te vloei. Tydens hierdie proses word van die hitte in meganiese energie omgeskakel (van die hitte word gebruik om werk te verrig), terwyl van die hitte na die laetemperatuurgebied afgevoer word. Die proses van energie-omskakeling en energie-oordrag in 'n hitte-enjin word in die diagram getoon.
Hoë temperatuur (TH) en lae temperatuur (TL) word ook die enjin se bedryfstemperatuur genoem. Hitte wat van 'n hoëtemperatuurplek vloei, word die simbool Q gegee.H, terwyl die hitte wat na 'n lae temperatuurplek vrygestel word, die simbool Q kryL. Wanneer dit van 'n plek met hoë temperatuur na 'n plek met lae temperatuur vloei, word sommige QH omgeskakel in meganiese energie (gebruik om werk te verrig), word 'n deel daarvan vrygestel as QLEintlik hoop ons regtig dat alle QH kan omgeskakel word na W, maar alledaagse ervaring toon dat dit onmoontlik is. Daar gaan altyd 'n bietjie hitte verlore. Dus, gebaseer op die behoud van energie, kan die gevolgtrekking gemaak word dat QH = W + QL.
Kom ons kyk nou na 'n hitte-enjin wat algemeen gebruik word om hitte in meganiese energie om te skakel. Dit is belangrik om daarop te let dat ons slegs hitte-enjins oorweeg wat deurlopende werk verrig. Vir werk om deurlopend verrig te word, moet hitte deurlopend vloei van 'n hoëtemperatuurgebied na 'n laetemperatuurgebied. As hitte slegs een keer vloei, sal die werk wat deur die hitte-enjin verrig word ook slegs een keer gedoen word (die meganiese energie wat geproduseer word, sal baie klein wees). Daarom kan die hitte-enjin nie optimaal benut word nie. 'n Hitte-enjin kan optimaal benut word as dit deurlopend werk verrig. Met ander woorde, die meganiese energie wat deur die hitte-enjin geproduseer word, is voldoende om gebruik te word om iets te beweeg.
Stoomenjin
Stoomenjins gebruik waterdamp as 'n hitte-oordragmedium. Stoom word na verwys as die werkende stof van 'n stoomenjin. Daar is twee tipes stoomenjins: suier-stoomenjins en turbine-stoomenjins (stoomturbines). Hul ontwerpe verskil effens, maar beide tipes deel ooreenkomste: hulle gebruik stoom wat verhit word deur olie, gas, steenkool of kernenergie te verbrand.
Suikertipe stoomenjin
Water in 'n houer word gewoonlik teen hoë druk verhit. Omdat dit teen hoë druk verhit word, vind die kookproses teen 'n hoë temperatuur plaas. Temperatuur is direk eweredig aan druk. Hoe hoër die temperatuur van die stoom, hoe groter die dampdruk. Hierdie hoëtemperatuur- of hoëdrukstoom beweeg deur die inlaatklep en sit uit teen die suier. Soos dit sit, druk die stoom die suier, wat veroorsaak dat dit na regs beweeg.
Van die hitte in die stoom word omgeskakel in kinetiese energie. Wanneer die suier na regs beweeg, roteer die wiel wat aan die suier gekoppel is (1). Na 'n halwe rotasie druk die wiel die suier terug na sy oorspronklike posisie (2). Wanneer die suier na links beweeg, sluit die inlaatklep outomaties, terwyl die uitlaatklep outomaties oopmaak. Die stoom word deur die kondensor gekondenseer en verander in dou. Vervolgens word die water in die kondensor teruggepomp in die houer om weer te kook. Ensovoorts… Omdat die proses herhaaldelik plaasvind, beweeg die suier voortdurend na regs en na links. Omdat die suier voortdurend na regs en na links beweeg, roteer die wiel ook voortdurend. Die rotasie van die wiel word gewoonlik gebruik om iets te beweeg.
Stoomturbine
Die werkbeginsel van 'n stoomturbine is in wese dieselfde as dié van 'n suier-stoomenjin. Die verskil is dat 'n suier-stoomenjin 'n suier gebruik, terwyl 'n stoomturbine 'n turbine gebruik. In 'n suier-stoomenjin word hitte eers omgeskakel na translasionele kinetiese energie van die suier. Daarna word die translasionele kinetiese energie van die suier omgeskakel na rotasie-kinetiese energie van die roterende wiel. In 'n stoomturbine word hitte direk omgeskakel na rotasie-kinetiese energie van die turbine. Die turbine kan roteer as gevolg van 'n drukverskil. Die temperatuur van die stoom bo die lem is baie hoër as die temperatuur van die stoom onder die lem. Die lem is 'n dun plaat wat in die middel van die turbine geleë is. Temperatuur is direk eweredig aan druk. Omdat die temperatuur van die stoom bo die lem hoër is as die temperatuur van die stoom onder die lem, is die stoomdruk bo die lem groter as die druk onder die lem. Hierdie drukverskil veroorsaak dat die stoom die lem afwaarts druk, wat veroorsaak dat die turbine roteer. Die rigting van die turbine se rotasie word in die figuur getoon.
Dit is belangrik om daarop te let dat die werkbeginsel van 'n stoomenjin gebaseer is op die energie-oordragdiagram wat hierbo verduidelik is. In hierdie geval kan meganiese energie opgewek word deur hitte toe te laat om van 'n voorwerp of plek met 'n hoë temperatuur na 'n voorwerp of plek met 'n lae temperatuur te vloei. Daarom is 'n temperatuurverskil noodsaaklik in 'n stoomenjin.
As jy aandag gee aan hoe 'n suiermotor werk, sal jy sien dat die suier steeds links en regs kan beweeg, al is daar geen temperatuurverskil nie (geen kondensor of pomp nie). Die suier kan regs beweeg as gevolg van die uitbreiding van hoëtemperatuur- of hoëdrukstoom. In hierdie geval word van die hitte in die stoom omgeskakel in translasionele kinetiese energie van die suier. Hierdie translasionele kinetiese energie van die suier word dan omgeskakel in rotasie-kinetiese energie van die roterende wiel. Nadat 'n halwe rotasie voltooi is, stoot die wiel die suier terug na links. Wanneer die wiel die suier terug na links stoot, word die rotasie-kinetiese energie van die wiel weer omgeskakel in translasionele kinetiese energie van die suier. Soos die suier na links beweeg, stoot dit die stoom in die silinder uit. Terselfdertyd maak die uitlaatklep oop.
Dus, die stoom wat deur die suier gestoot word, sal sy vriend onder die uitlaatklep stoot. Nou, as die temperatuur van die stoom onder die uitlaatklep gelyk is aan die temperatuur van die stoom wat deur die suier gestoot word, dan sal al die translasionele kinetiese energie van die suier terug omgeskakel word na die interne energie van die stoom. Interne energie is direk eweredig aan temperatuur. As die interne energie van die stoom toeneem, neem die temperatuur van die stoom toe. Temperatuur is direk eweredig aan druk. As die temperatuur van die stoom toeneem, neem die druk van die stoom ook toe. Dus, die druk van die stoom wat deur die uitlaatklep vrygestel word, is gelyk aan die druk van die stoom wat deur die inlaatklep binnegaan. Die suier sal voortdurend regs en links beweeg, maar daar sal geen totale kinetiese energie wees wat benut kan word nie (geen totale arbeid wat geproduseer word nie). Dus sal die kinetiese energie wat deur die suier ontvang word tydens die uitbreidingsproses (die suier beweeg na regs) aan die stoom teruggegee word tydens die kompressieproses (die suier beweeg na links).
Die gevolgtrekking is dat 'n temperatuurverskil in 'n stoomenjin steeds nodig is. Hierdie temperatuurverskil in 'n stoomenjin kan bereik word deur 'n kondensor te gebruik. Wanneer die temperatuur en druk van die stoom onder die uitlaatklep baie laer is as die temperatuur en druk van die stoom in die silinder, dan, wanneer die suier terug na links beweeg, is die hoeveelheid druk wat die suier op die stoom uitoefen baie kleiner as die hoeveelheid druk wat die stoom op die suier uitoefen wanneer die suier na regs beweeg. Met ander woorde, die hoeveelheid werk wat die suier op die stoom doen, is baie kleiner as die hoeveelheid werk wat die stoom op die suier doen. Dus word slegs 'n klein gedeelte van die suier se kinetiese energie na die stoom teruggegee. Dus sal daar totale kinetiese energie of totale werk geproduseer word. Hierdie totale kinetiese energie word gebruik om iets te beweeg.
Binnebrandenjin
Motorfiets- en motorenjins is voorbeelde van binnebrandenjins. Hulle word binnebrandenjins genoem omdat die verbrandingsproses binne 'n geslote silinder plaasvind. Binnebrandenjins is die resultaat van ingenieurswese wat die konsep van adiabatiese kompressie en uitbreiding gebruik, soos in die vorige onderwerp verduidelik. eerste wet van termodinamika.
Ons sal slegs binnebrandenjins oorweeg wat petrol en diesel as brandstof gebruik. Petrol en diesel is petroleumprodukte en besit dus chemiese potensiële energie. Die chemiese potensiële energie in petrol en diesel word eers deur die verbrandingsproses in hitte omgeskakel. Die hitte wat deur verbranding geproduseer word, word dan in meganiese energie omgeskakel. Hierdie meganiese energie is wat 'n motorfiets of motor toelaat om te beweeg. Die siklus in 'n petrolenjin word die Otto-siklus genoem, terwyl die siklus in 'n dieselenjin die dieselsiklus genoem word. 'n Siklus is 'n omkeerbare termodinamiese proses. Kom ons bespreek eers die Otto-siklus.
Otto-siklus
Hierdie is 'n diagram van 'n vierslag-binnebrandenjin. 'n Mengsel van lug en petroldamp vloei vanaf die vergasser in die silinder terwyl die suier afwaarts beweeg (die inlaatslag). Die mengsel van lug en petroldamp in die silinder word dan adiabaties saamgepers terwyl die suier opwaarts beweeg (die kompressieslag). Omdat dit adiabaties saamgepers word, neem die temperatuur en druk van die mengsel toe. Gelyktydig ontsteek die vonkprop die mengsel en ontbrand dit. Soos dit brand, neem die temperatuur en druk van die gas toe. Die hoëtemperatuur-, hoëdrukgas sit teen die suier uit en druk dit afwaarts (die uitbreidingslag). Die verbrande gas word dan deur die uitlaatklep vrygestel en na die uitlaatpyp gerig (die uitlaatslag). Die inlaatklep maak weer oop en die vier slae word herhaal.
Dit is belangrik om daarop te let dat die doel van die adiabatiese kompressieslag is om die temperatuur en druk van die lug-petroldampmengsel te verhoog. Verbranding teen hoë druk produseer baie hoë temperature en druk. Gevolglik is die stukrag (F = PA) wat tydens die uitbreidingsproses gegenereer word, baie groot. Dit lei daartoe dat 'n motorfiets- of motorenjin kragtiger word. Selfs sonder kompressie kan die lug-petroldampmengsel ontbrand wanneer die vonkprop 'n vonk produseer. Die temperatuur en druk van die verbrande gas is egter nie baie hoog nie, dus is die gevolglike stukrag ook klein. Gevolglik word die enjin minder kragtig.
Die proses van energietransformasie en energie-oordrag in 'n vierslag-binnebrandenjin kan soos volg verduidelik word: Tydens verbranding word die chemiese potensiële energie in petrol en die energie in die lug in hitte omgeskakel. 'n Gedeelte van die hitte word in die suierstang en krukas in meganiese energie omgeskakel, terwyl 'n gedeelte deur die uitlaatpyp vrygestel word. Die meeste van die meganiese energie in die suierstang en krukas word in die voertuig (wat die voertuig beweeg) in meganiese energie omgeskakel, terwyl 'n klein gedeelte in hitte omgeskakel word. Hitte word deur wrywing opgewek.
Die adiabatiese uitbreidings- en kompressieproses in die Otto-siklus kan deur die diagram hieronder geïllustreer word. Hierdie diagram toon 'n geïdealiseerde model van die termodinamiese prosesse wat in 'n petrol-aangedrewe binnebrandenjin plaasvind.
'n Mengsel van lug en petroldamp gaan die silinder binne (a). Die mengsel van lug en petroldamp word dan adiabaties saamgepers (a-b). Let daarop dat die silindervolume afneem. Die mengsel van lug en petroldamp word teen konstante volume verhit – die mengsel word verbrand (b-c). Die verbrande gas ondergaan adiabatiese uitbreiding (c-d). Afkoeling teen konstante volume – die verbrande gas word na die uitlaatpyp vrygestel en 'n nuwe mengsel van lug + petroldamp gaan die silinder binne (d-a).
'n Mengsel van lug en petroldamp gaan die silinder binne (a). Die mengsel van lug en petroldamp word dan adiabaties saamgepers (a-b). Let daarop dat die silindervolume afneem. Die mengsel van lug en petroldamp word teen konstante volume verhit – die mengsel word verbrand (b-c). Die verbrande gas ondergaan adiabatiese uitbreiding (c-d). Afkoeling teen konstante volume – die verbrande gas word na die uitlaatpyp vrygestel en 'n nuwe mengsel van lug + petroldamp gaan die silinder binne (d-a).
Diesel Siklus
Die werkbeginsel van 'n dieselenjin is soortgelyk aan dié van 'n petrolenjin. Die verskil lê in die aanvanklike adiabatiese kompressiestap (adiabatiese kompressie = kompressie wat so vinnig gedoen word dat hitte nie tyd het om in of uit die stelsel te vloei nie. Die stelsel is in hierdie geval 'n silinder). Terwyl dit in 'n petrolenjin 'n mengsel van lug en petroldamp is wat saamgepers word, word in 'n dieselenjin slegs die lug saamgepers. Adiabatiese kompressie veroorsaak dat die temperatuur en druk van die lug toeneem. Vervolgens spuit die inspuiter, oftewel die inspuiter, diesel. Omdat die temperatuur en druk van die lug reeds baie hoog is, ontbrand die diesel onmiddellik wanneer dit in die silinder gespuit word. Geen vonkproppe is nodig nie. Let op die drukwaarde wat in die diagram hieronder getoon word. Bvergelyk met die grootte van die druk wat in die Otto-siklusdiagram getoon word.
Hierdie diagram toon 'n ideale dieselsiklus. Aanvanklik word lug adiabaties saamgepers (a-b), dan verhit teen konstante druk – die inspuiter spuit diesel en verbranding vind plaas (b-c), die verbrande gas ondergaan adiabatiese uitbreiding (c-d), koel af teen konstante volume – die verbrande gas word deur die uitlaatpyp uitgestoot en vars lug kom in die silinder in (d-a).
Gebaseer op die bogenoemde verduideliking, kan die gevolgtrekking gemaak word dat elke hitte-enjin in wese 'n spesifieke werkende stof het. Die werkende stof vir 'n stoomenjin is water, die werkende stof vir 'n petrolenjin is lug en petroldamp, en die werkende stof vir 'n dieselenjin is lug en dieselbrandstof. Die werkende stof absorbeer gewoonlik hitte by 'n hoë temperatuur (QH), wat werk doen (W), en dan die oorblywende hitte teen 'n laer temperatuur vrystel (Q)LOmdat energie behoue bly, dan is QH = W + QL.
Doeltreffendheid van die hitte-enjin
Die doeltreffendheid (e) van 'n hitte-enjin is die verhouding tussen die werk (W) wat deur die enjin verrig word en die hitte-invoer by hoë temperatuur (Q).HWiskundig kan dit so geskryf word:
W is die wins wat ons ontvang, terwyl Q die wins is wat ons ontvang.H is die koste wat ons aangaan om brandstof te koop en te verbrand. As mense wat altyd die grootste moontlike wins en die kleinste moontlike uitgawe wil verkry, hoop ons regtig dat die wins wat ons verkry (W) ooreenstem met die koste wat ons aangaan (QH). Is dit moontlik?
Gebaseer op die behoud van energie, die insetwarmte (QH) moet gelyk wees aan die Werk (W) verrig + Hitte vrygestel (Q)LWiskundig:
As jy die doeltreffendheid van 'n hitte-enjin in persentasie wil uitdruk, vermenigvuldig die doeltreffendheidsvergelyking eenvoudig met 100%. Gebaseer op die doeltreffendheidsvergelyking hierbo, hoe meer hitte word verwerp (QL) deur 'n hitte-enjin, hoe minder doeltreffend is die hitte-enjin. Ons wil eintlik die hoeveelheid hitte hê wat verwerp word (QL) so min as moontlik. Die hitte-invoer (Q) is egterH) word gewoonlik verkry deur olie, steenkool, gas, ens. te verbrand (die brandstof waarvoor ons betaal).
Daarom is elke hitte-enjin in wese ontwerp om so doeltreffend as moontlik te wees. Alhoewel ons die grootste moontlike voordeel uit die minste moontlike uitgawes begeer, is die realiteit dat stoomenjins tipies ongeveer 40% doeltreffend is, terwyl binnebrandenjins ongeveer 50% is. Dit beteken dat die helfte van die hitte wat deur die verbranding van brandstof geproduseer word, vermors word. Slegs die helfte word in meganiese energie omgeskakel.
Voorbeeldvraag 1:
'n Hitte-enjin absorbeer 3000 Joule hitte (QH), wat werk (W) verrig en 2500 Joule hitte vrystel (Q)L). Wat is die doeltreffendheid van die hitte-enjin?
Bespreking
Voorbeeldvraag 2:
'n Hitte-enjin absorbeer 3000 Joule hitte (QH), wat werk (W) verrig en 2000 Joule hitte (Q) vrystelL). Wat is die doeltreffendheid van die hitte-enjin?
Bespreking
Voorbeeldvraag 3:
'n Hitte-enjin absorbeer 3000 Joule hitte (QH), wat werk (W) verrig en 1500 Joule hitte (Q) vrystelL). Wat is die doeltreffendheid van die hitte-enjin?
Bespreking
