Другі закон тэрмадынамікі

Каб растлумачыць незваротныя тэрмадынамічныя працэсы, навукоўцы сфармулявалі другі закон тэрмадынамікі. Другі закон тэрмадынамікі тлумачыць, якія працэсы могуць адбывацца ў Сусвеце, а якія не могуць. Адзін навуковец па імені Р. Дж. Э. Клаўзіус (1822-1888) зрабіў наступнае сцвярджэнне:

Натуральна, цяпло пераходзіць ад аб'ектаў з высокай тэмпературай да аб'ектаў з нізкай тэмпературай; натуральна, цяпло не пераходзіць ад аб'ектаў з нізкай тэмпературай да аб'ектаў з высокай тэмпературай (другі закон тэрмадынамікі — сцвярджэнне Клаўзіуса).

Сцвярджэнне Клаўзіуса з'яўляецца адным са спецыяльных сцвярджэнняў другога закона тэрмадынамікі. Яно называецца спецыяльным сцвярджэннем, таму што яно дастасоўна толькі да аднаго працэсу, звязанага з цеплаперадачай. Паколькі гэта сцвярджэнне не звязана з іншымі працэсамі, нам патрэбна больш агульнае сцвярджэнне. Распрацоўка агульнага сцвярджэння другога закона тэрмадынамікі заснавана на вывучэнні цеплавых рухавікоў. Таму спачатку мы абмяркуем цеплавую актыўнасць рухавіка.

Цеплавы рухавік

Большая частка энергіі, якую мы выкарыстоўваем, паступае з хімічнай патэнцыяльнай энергіі, якая змяшчаецца ў нафце, газе і вуглі. Хімічная патэнцыяльная энергія, якая выкарыстоўваецца для непасрэднага выкарыстання, павінна спачатку быць спалена. Звычайна спальванне выкапнёвага паліва (нафты, газу і вугалю) выпрацоўвае цяпло. Цяпло можна выкарыстоўваць непасрэдна для прыгатавання ежы, ацяплення памяшкання. Каб што-небудзь перамясціць (напрыклад, перамясціць транспартны сродак), мы павінны пераўтварыць цяпло ў кінетычную або механічную энергію (механічная энергія = патэнцыяльная энергія + кінетычная энергія).

Інструмент, які выкарыстоўвае цяпло для выканання працы, быў адкрыты ў 1700 годзе. Гэта была паравая машына. Паравая машына ўпершыню была выкарыстана для адпампоўкі вады з вугальнай шахты.

Паравыя рухавікі выкарыстоўваюцца таму, што пара можа рухаць рэчы. Да паравых рухавікоў адносяцца цеплавыя рухавікі (цеплавы рухавік — гэта інструмент для пераўтварэння цяпла ў механічную энергію). Цяпер паравы рухавік выкарыстоўваецца для выпрацоўкі электрычнай энергіі. Сучасныя цеплавыя рухавікі — гэта рухавікі ўнутранага згарання, такія як рухавікі аўтамабіляў, матацыклаў і г.д.

Асноўная ідэя выкарыстання цеплавых рухавікоў заключаецца ў тым, што цяпло можна пераўтварыць у механічную энергію, калі дазволіць цяплу пераходзіць ад высокіх тэмператур да нізкіх. Падчас гэтага працэсу частка цяпла пераўтвараецца ў механічную энергію (частка цяпла выкарыстоўваецца для выканання працы), а частка цяпла вылучаецца ў месцах з нізкай тэмпературай. Працэс змены формы энергіі і перадачы энергіі ў цеплавым рухавіку выглядае наступным чынам:

Высокая тэмпература (T_H) і нізкая тэмпература (T_L) называюцца рабочай тэмпературай машыны. Q_H — гэта цяпло, якое паступае ад высокай тэмпературы, тады як Q_L — гэта цяпло, якое перадаецца ў месца з нізкай тэмпературай. Пры пераходзе ад высокай тэмпературы да нізкай частка цяпла пераўтвараецца ў механічную энергію (выкарыстоўваецца для працы), а частка цяпла адводзіцца ў выглядзе Q_LНе ўсё цяпло можа быць пераўтворана ў працу (Вт), заўсёды ёсць цяпло, якое вылучаецца (Q_L). Такім чынам, зыходзячы з закона захавання энергіі, Q_H = W + Q_L.

Існуе некалькі цеплавых рухавікоў, у тым ліку паравыя рухавікі і рухавікі ўнутранага згарання.

Паравая машына

Паравыя рухавікі выкарыстоўваюць вадзяную пару ў якасці цепланосбіта. Пара з'яўляецца рабочым целам. Існуе два тыпы паравых рухавікоў: паравыя рухавікі пераменнага току і турбінныя паравыя рухавікі. Канструкцыя гэтых рухавікоў адрозніваецца, але гэтыя два тыпы паравых рухавікоў выкарыстоўваюць пару, якая награваецца спальваннем нафты, газу, вугалю або выкарыстаннем ядзернай энергіі.

Рухавікі ўнутранага згарання

Рухавікі матацыклаў і аўтамабіляў з'яўляюцца прыкладамі рухавікоў унутранага згарання. Іх называюць рухавікамі ўнутранага згарання, таму што працэс згарання адбываецца ўнутры замкнёных цыліндраў. Існуючы рухавік унутранага згарання, ён з'яўляецца вынікам інжынернай канцэпцыі адыябатычнага сціскання і пашырэння.

ККД цеплавога рухавіка

Каэфіцыент эфектыўнасці цеплавой машыны (e) — гэта параўнанне працы (Вт), выкананай машынай, з цеплавым укладам пры высокай тэмпературы (Q_H).

W — атрыманы каэфіцыент узмацнення, а Q_H — гэта кошт пакупкі і спальвання паліва. Як людзі, якія заўсёды імкнуцца атрымаць максімальны прыбытак і найменшыя выдаткі, мы спадзяемся, што павелічэнне прыбытку (W) будзе прапарцыйна выдаткам, якія мы трацім (Q_HЦі можа гэта здарыцца?

Зыходзячы з захавання энергіі, цяпла (Q_H) павінна быць роўная працы (Вт) + цеплааддадзенай (Q_L).

Падстаўце W у раўнанне 1 на W у раўнанне 2

Гэта ўраўненне эфектыўнасці цеплавога рухавіка.

Пытанне 1:

Цеплавая машына паглынае 3000 джоўляў (Q_H) цяпла, выконвае працу (Вт) і выдаляе 2500 джоўляў (Q_L) цяпло. Разлічыце цеплавую эфектыўнасць рухавіка.

Рашэнне

ККД цеплавога рухавіка = 17%.

Пытанне 2:

Цеплавая машына паглынае 3000 джоўляў цяпла (Q_H), выконвае працу (Вт) і адводзіць 2000 джоўляў цяпла (Q_L). Разлічыце ККД цеплавой машыны.

Рашэнне

ККД цеплавога рухавіка = 34%.

Пытанне 3:

Цеплавая машына паглынае 3000 джоўляў цяпла (Q_H), выконвае працу (Вт) і вылучае да 1500 джоўляў цяпла (Q_L). Разлічыце ККД цеплавой машыны?

Рашэнне

ККД цеплавога рухавіка = 50%.