Om die onomkeerbare termodinamiese prosesse te verduidelik, het die wetenskaplikes die tweede wet van termodinamika geformuleer. Die tweede wet van termodinamika verduidelik watter prosesse in die heelal kan plaasvind en watter prosesse nie kan plaasvind nie. Een wetenskaplike genaamd RJE Clausius (1822-1888) het die volgende stelling gemaak:
Natuurlik beweeg hitte van hoëtemperatuurvoorwerpe na laetemperatuurvoorwerpe; natuurlik beweeg hitte nie van laetemperatuurvoorwerpe na hoëtemperatuurvoorwerpe nie (Tweede wet van termodinamika - Clausius se stelling).
Clausius se stelling is een van die spesiale stellings van die tweede wet van termodinamika. Dit word 'n spesiale stelling genoem omdat dit slegs op een proses van toepassing is, wat verband hou met hitte-oordrag. Aangesien hierdie stelling nie verband hou met ander prosesse nie, benodig ons 'n meer algemene stelling. Die ontwikkeling van 'n algemene stelling van die tweede wet van termodinamika is gebaseer op die studie van hitte-enjins. Daarom bespreek ons eers enjinhitte.
Verhit enjin
Baie van die energie wat ons gebruik, kom van chemiese potensiële energie wat in petroleum, gas en steenkool voorkom. Chemiese potensiële energie wat aangewend word om direk benut te word, moet eers verbrand word. Gewoonlik produseer die verbranding van fossielbrandstowwe (olie, gas en steenkool) hitte. Hitte kan direk gebruik word om kos te kook of 'n kamer te verhit. Om iets te beweeg (soos om 'n voertuig te beweeg), moet ons hitte omskakel in kinetiese energie of meganiese energie (meganiese energie = potensiële energie + kinetiese energie).
'n Gereedskap wat hitte gebruik om werk te verrig, is in 1700 ontdek. Dit was 'n stoomenjin. Die stoomenjin is vir die eerste keer gebruik om water uit 'n steenkoolmyn te pomp.
Die gebruik van stoomenjins is omdat stoom dinge kan beweeg. Stoomenjins sluit 'n hitte-enjin in (’n hitte-enjin is ’n instrument om hitte na meganiese energie om te skakel). Nou word die stoomenjin gebruik om elektriese energie op te wek. Moderne hitte-enjins is binnebrandenjins soos motorenjins, motorfietsenjins, ens.
Die basiese idee agter die gebruik van hitte-enjins is dat verhitting in meganiese energie omgeskakel kan word as hitte toegelaat word om van hoë temperature na lae temperature te vloei. Tydens hierdie proses word 'n gedeelte van die hitte in meganiese energie omgeskakel ('n gedeelte van die hitte word gebruik om die werk te doen), en 'n gedeelte van die hitte word in lae-temperatuur plekke vrygestel. Die proses om die vorm van energie en energie-oordrag in die hitte-enjin te verander, lyk soos hierdie diagram.
Hoë temperatuur (TH) en lae temperatuur (TL) word masjienbedryfstemperatuur genoem. QH is die hitte wat van die hoë temperatuur vloei, terwyl QL is hitte wat na die lae-temperatuur plek vloei. Wanneer dit van hoë temperature na lae temperature vloei, word 'n deel van die hitte omgeskakel in meganiese energie (gebruik om te werk), en 'n deel van die hitte word as Q weggedoen.LAlle hitte kan nie in werk (W) omgeskakel word nie, daar is altyd hitte wat vrygestel word (Q).L). Dus, gebaseer op die behoud van energie, QH = W + QL.
Daar is verskeie hitte-enjins, insluitend stoomenjins en binnebrandenjins.
Stoomenjin
Stoomenjins gebruik waterdamp as 'n hitte-oordragmedium. Stoom is werkvloeistof. Daar is twee tipes stoomenjins: wisselende stoomenjins en turbine-stoomenjins. Die ontwerp van hierdie enjin is anders, maar hierdie twee tipes stoomenjins gebruik stoom wat verhit word deur olie, gas, steenkool te verbrand of kernenergie te gebruik.
Binnebrandenjins
Motorfietsenjins en motorenjins is voorbeelde van binnebrandenjins. Dit word binnebrandenjins genoem omdat die verbrandingsproses binne geslote silinders plaasvind. Die teenwoordigheid van 'n binnebrandenjin is die gevolg van die ingenieurskonsep van adiabatiese kompressie en uitbreiding.
Hitte-enjin Doeltreffendheid
Die doeltreffendheid van die hitte-enjin (e) is 'n vergelyking tussen werk (W) wat deur die masjien verrig word met 'n hitte-invoer by hoë temperatuur (QH ).
W is die wins wat ontvang word, terwyl Q H die koste is wat aangegaan word om brandstof te koop en te verbrand. As mense wat altyd die maksimum wins en die kleinste uitgawe wil behaal, hoop ons dat die winsverhoging (W) eweredig is aan die koste wat ons spandeer (Q H ). Kan dit gebeur?
Gebaseer op die behoud van energie, moet hitte (QH ) gelyk wees aan arbeid (W) + ontlaaide hitte (QL ).
Vervang W in vergelyking 1 met W in vergelyking 2
Dit is die vergelyking van hitte-enjin doeltreffendheid.
Vraag 1:
'n Hitte-enjin absorbeer 3000 Joules (QH ) hitte, verrig werk (W) en verwyder 2500 Joules (QL ) hitte. Bereken die enjinhitte-doeltreffendheid.
Oplossing
Hitte-enjin doeltreffendheid = 17%.
Vraag 2:
'n Hitte-enjin absorbeer 3000 Joule hitte (QH ) , verrig werk (W) en verwyder 2000 Joule hitte (QL ) . Bereken die doeltreffendheid van die hitte-enjin.
Oplossing
Hitte-enjin doeltreffendheid = 34%.
Vraag 3:
'n Hitte-enjin absorbeer 3000 Joule hitte (QH ) , verrig arbeid (W) en gee soveel as 1500 Joule hitte (QL) af . Bereken die doeltreffendheid van 'n hitte-enjin?
Oplossing
Hitte-enjin doeltreffendheid = 50%.
