Статия за втория закон на термодинамиката
Всички естествено протичащи процеси протичат само в една посока, но не могат да протичат в обратна посока, обикновено наричани необратими процеси. След като се освободи от стъблото си и падне свободно на земята, мангото никога повече не се движи нагоре. Книга, която бутаме и след това спира, никога не се връща към нас. Ако докоснем обект с висока температура (горещ обект) с обект с ниска температура (студен обект), топлината естествено преминава от обекта с висока температура към обекта с ниска температура. Никога не виждаме обратния процес, при който топлината естествено се премества от студен обект към горещ обект. Ако този процес се случи, тогава студеният обект ще стане по-студен, докато горещият обект ще стане по-горещ. Но в действителност не е така. Има много необратими процеси, които изглеждат различни един от друг, но всички те включват промени във формата на енергията и преноса на енергия от един обект към друг.
Например, има мощно земетресение, което причинява срутване на сгради (сградите се срутват поради енергията, носена от земетръсните вълни). Виждали ли сте някога всяка част от срутената сграда да се събере отново и да се изправи както преди? Или например чаша пада на пода и се счупва... Виждали ли сте някога разпръснатите по пода стъклени фрагменти да се съберат отново и да образуват чаша, която е цяла както преди? Никога не се е случвало... има много други примери.
Untuk menjelaskan proses termodinamika yang terjadi hanya pada satu arah (proses ireversibel), para ilmuwan merumuskan hukum kedua termodinamika. Hukum kedua termodinamika menjelaskan proses apa saja yang bisa terjadi di alam semesta dan proses apa saja yang tidak bisa terjadi. Salah seorang ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822‐1888) membuat sebuah pernyataan berikut :
Топлината се движи сама от обект с висока температура към обект с ниска температура; топлината няма да се движи сама от обект с ниска температура към обект с висока температура (Втори закон на термодинамиката – твърдение на Клаузиус).
Твърдението на Клаузиус е специално твърдение на втория закон на термодинамиката. Нарича се специално твърдение, защото се отнася само за един процес, а именно пренос на топлина. Тъй като това твърдение не е свързано с други процеси, се нуждаем от по-общо твърдение. Разработването на общото твърдение на втория закон на термодинамиката се основава отчасти на изучаването на топлинните двигатели. Следователно, първо ще обсъдим топлинните двигатели.
ТОПЛИНЕН ДВИГАТЕЛ
Голяма част от енергията, която използваме, идва от химическата потенциална енергия, съдържаща се в петрола, газа и въглищата. Химическата потенциална енергия, съдържаща се в петрола, газа или въглищата, не може да се използва директно. Петролът, газът или въглищата трябва първо да се изгорят. Обикновено изгарянето на изкопаеми горива (петрол, газ и въглища) произвежда топлина. Топлината може да се използва директно за готвене на храна и отопление на помещение. За да преместим нещо (например, за да преместим превозно средство), трябва да преобразуваме топлината в кинетична енергия или механична енергия (механична енергия = потенциална енергия + кинетична енергия). Преобразуването на механичната енергия в топлина е много лесна работа, но преобразуването на топлината в механична енергия е трудно. Опитайте да разтриете дланите си една в друга... дланите ви са горещи, нали? Когато разтрием дланите си една в друга (вършим работа), механичната енергия се преобразува в топлина. Процесът е много лесен... Дори безкрайна топлина може да се произведе чрез извършване на работа. Но обратният процес, а именно използването на топлина за извършване на работа, е труден.
Устройство, използвано за овладяване на топлината за извършване на работа, е изобретено едва през 1700 г. Въпросното устройство е парната машина. Парните машини са използвани за първи път за изпомпване на вода от въглищни мини. Важно е да се отбележи, че първото използване на парни машини е станало преди учените да знаят, че топлината всъщност е енергия, пренасяна поради температурни разлики (първият закон на термодинамиката все още не е бил формулиран).
Използването на парни двигатели по това време вероятно се е основавало на ежедневния опит, показващ, че парата може да движи неща. Парните двигатели се считат за топлинни двигатели (топлинен двигател = устройство за преобразуване на топлината в механична енергия). Днес парните двигатели се използват за генериране на електрическа енергия. Съвременните топлинни двигатели са двигатели с вътрешно горене (автомобилни двигатели, мотоциклетни двигатели и др.).
Основната идея зад използването на топлинен двигател е, че топлината може да се преобразува в механична енергия само ако ѝ се позволи да преминава от област с висока температура към област с ниска температура. По време на този процес част от топлината се преобразува в механична енергия (част от топлината се използва за извършване на работа), докато част от топлината се отвежда в областта с ниска температура. Процесът на преобразуване и пренос на енергия в топлинен двигател е показан на диаграмата.
Висока температура (TH) и ниска температура (TL) се нарича още работна температура на двигателя. Топлината, излъчвана от място с висока температура, се обозначава със символа QH, докато топлината, която се отделя на място с ниска температура, се обозначава със символа QL. При преминаване от място с висока температура към място с ниска температура, известно QH преобразува се в механична енергия (използва се за извършване на работа), част от нея се освобождава като QLВсъщност наистина се надяваме, че всички QH може да се преобразува във W, но ежедневният опит показва, че това е невъзможно. Винаги има загуба на топлина. Следователно, въз основа на закона за запазване на енергията, може да се заключи, че QH = W + QL.
Сега нека разгледаме един топлинен двигател, който често се използва за преобразуване на топлината в механична енергия. Важно е да се отбележи, че разглеждаме само топлинни двигатели, които извършват непрекъсната работа. За да се извършва непрекъсната работа, топлината трябва да тече непрекъснато от област с висока температура към област с ниска температура. Ако топлината тече само веднъж, работата, извършена от топлинния двигател, също ще бъде извършена само веднъж (произведената механична енергия ще бъде много малка). Следователно, топлинният двигател не може да бъде използван оптимално. Топлинният двигател може да бъде използван оптимално, ако извършва работа непрекъснато. С други думи, механичната енергия, произведена от топлинния двигател, е достатъчна, за да се използва за движение на нещо.
Парен двигател
Парните двигатели използват водна пара като топлоносител. Парата се нарича работно вещество на парния двигател. Има два вида парни двигатели: бутални парни двигатели и турбинни парни двигатели (парни турбини). Техните конструкции се различават леко, но и двата вида имат сходства: те използват пара, нагрята чрез изгаряне на нефт, газ, въглища или ядрена енергия.
Парна машина с бутално-постъпателно движение
Водата в съд обикновено се нагрява под високо налягане. Тъй като се нагрява под високо налягане, процесът на кипене протича при висока температура. Температурата е правопропорционална на налягането. Колкото по-висока е температурата на парата, толкова по-голямо е налягането на парите. Тази пара с висока температура или високо налягане се движи през входящия клапан и се разширява срещу буталото. При разширяването си парата избутва буталото, карайки го да се движи надясно.
Част от топлината в парата се преобразува в кинетична енергия. Когато буталото се движи надясно, колелото, свързано с буталото, се завърта (1). След половин оборот, колелото избутва буталото обратно в първоначалното му положение (2). Когато буталото се движи наляво, входящият клапан автоматично се затваря, докато изпускателният клапан се отваря автоматично. Парата се кондензира от кондензатора, превръщайки се в роса. След това водата в кондензатора се изпомпва обратно в съда, за да заври отново. И така нататък... Тъй като процесът се случва многократно, буталото се движи надясно и наляво непрекъснато. Тъй като буталото се движи надясно и наляво непрекъснато, колелото също се върти непрекъснато. Въртенето на колелото обикновено се използва за движение на нещо.
Парна турбина
Принципът на работа на парната турбина е по същество същият като този на бутална парна машина. Разликата е, че буталната парна машина използва бутало, докато парната турбина използва турбина. В буталната парна машина топлината първо се преобразува в транслационна кинетична енергия на буталото. След това транслационната кинетична енергия на буталото се преобразува в ротационна кинетична енергия на въртящото се колело. В парната турбина топлината се преобразува директно в ротационна кинетична енергия на турбината. Турбината може да се върти поради разлика в налягането. Температурата на парата над лопатката е много по-висока от температурата на парата под лопатката. Лопатката е тънка пластина, разположена в центъра на турбината. Температурата е право пропорционална на налягането. Тъй като температурата на парата над лопатката е по-висока от температурата на парата под лопатката, налягането на парата над лопатката е по-голямо от налягането под лопатката. Тази разлика в налягането кара парата да избутва лопатката надолу, което кара турбината да се върти. Посоката на въртене на турбината е показана на фигурата.
Важно е да се отбележи, че принципът на работа на парната машина се основава на диаграмата за пренос на енергия, обяснена по-горе. В този случай механичната енергия може да се генерира, като се позволи на топлината да тече от обект или място с висока температура към обект или място с ниска температура. Следователно, температурната разлика е от съществено значение за парната машина.
Ако обърнете внимание на това как работи буталната парна машина, ще забележите, че буталото може да се движи наляво и надясно, въпреки че няма температурна разлика (няма кондензатор или помпа). Буталото може да се движи надясно поради разширяването на пара с висока температура или високо налягане. В този случай част от топлината в парата се преобразува в транслационна кинетична енергия на буталото. Тази транслационна кинетична енергия на буталото след това се преобразува във ротационна кинетична енергия на въртящото се колело. След завършване на половин оборот, колелото избутва буталото обратно наляво. Когато колелото избутва буталото обратно наляво, ротационната кинетична енергия на колелото се преобразува отново в транслационна кинетична енергия на буталото. Докато буталото се движи наляво, то изтласква парата в цилиндъра. В същото време изпускателният клапан се отваря.
По този начин, парата, избутвана от буталото, ще избута своя приятел под изпускателния клапан. Сега, ако температурата на парата под изпускателния клапан е равна на температурата на парата, избутвана от буталото, тогава цялата транслационна кинетична енергия на буталото ще се преобразува обратно във вътрешната енергия на парата. Вътрешната енергия е право пропорционална на температурата. Ако вътрешната енергия на парата се увеличи, температурата на парата се увеличава. Температурата е право пропорционална на налягането. Ако температурата на парата се увеличи, налягането на парата също се увеличава. По този начин, налягането на парата, освободена през изпускателния клапан, е равно на налягането на парата, влизаща през входящия клапан. Буталото ще продължи да се движи непрекъснато надясно и наляво, но няма да има обща кинетична енергия, която може да бъде използвана (няма да се произведе обща работа). Така че кинетичната енергия, получена от буталото по време на процеса на разширение (буталото се движи надясно), ще бъде върната на парата по време на процеса на компресия (буталото се движи наляво).
Прави се заключението, че температурната разлика в парната машина все още е необходима. Тази температурна разлика в парната машина може да се постигне чрез използване на кондензатор. Когато температурата и налягането на парата под изпускателния клапан са много по-ниски от температурата и налягането на парата в цилиндъра, тогава, когато буталото се движи обратно наляво, количеството налягане, което буталото упражнява върху парата, е много по-малко от количеството налягане, което парата упражнява върху буталото, когато буталото се движи надясно. С други думи, количеството работа, което буталото извършва върху парата, е много по-малко от количеството работа, което парата извършва върху буталото. Така че само малка част от кинетичната енергия на буталото се връща към парата. По този начин ще има обща кинетична енергия или произведена обща работа. Тази обща кинетична енергия се използва за движение на нещо.
Двигател с вътрешно горене
Мотоциклетните и автомобилните двигатели са примери за двигатели с вътрешно горене. Те се наричат двигатели с вътрешно горене, защото процесът на горене протича в затворен цилиндър. Двигателите с вътрешно горене са резултат от инженерната концепция за адиабатно свиване и разширяване, обяснена в първия закон на термодинамиката.
Ще разгледаме само двигатели с вътрешно горене, които използват бензин и дизел като гориво. Бензинът и дизелът са петролни продукти и следователно притежават химическа потенциална енергия. Химическата потенциална енергия в бензина и дизела първо се преобразува в топлина чрез процеса на горене. Топлината, произведена чрез горенето, след това се преобразува в механична енергия. Тази механична енергия е това, което позволява на мотоциклет или автомобил да се движи. Цикълът в бензинов двигател се нарича цикъл на Ото, докато цикълът в дизеловия двигател се нарича дизелов цикъл. Цикълът е обратим термодинамичен процес. Нека първо обсъдим цикъла на Ото.
Цикъл на Ото
Това е диаграма на четиритактов двигател с вътрешно горене. Смес от въздух и бензинови пари постъпва от карбуратора в цилиндъра, докато буталото се движи надолу (всмукателен такт). Сместа от въздух и бензинови пари в цилиндъра след това се компресира адиабатно, докато буталото се движи нагоре (ход на компресия). Тъй като се компресира адиабатно, температурата и налягането на сместа се повишават. Едновременно с това свещта запалва сместа, като я запалва. Докато гори, температурата и налягането на газа се повишават. Газът с висока температура и високо налягане се разширява срещу буталото, избутвайки го надолу (ход на разширение). Изгорелият газ след това се освобождава през изпускателния клапан и се насочва към изпускателната тръба (ход на изпускане). Всмукателният клапан се отваря отново и четирите такта се повтарят.
Важно е да се отбележи, че целта на адиабатния компресионен ход е да се повиши температурата и налягането на парната смес от въздух и бензин. Горенето при високо налягане произвежда много високи температури и налягания. Следователно, тягата (F = PA), генерирана по време на процеса на разширение, е много голяма. Това води до повишаване на мощността на двигателя на мотоциклет или автомобил. Дори без компресия, парната смес от въздух и бензин може да се възпламени, когато свещта произведе искра. Температурата и налягането на изгорелия газ обаче не са много високи, така че получената тяга също е малка. В резултат на това двигателят става по-малко мощен.
Процесът на преобразуване и пренос на енергия в четиритактов двигател с вътрешно горене може да се обясни по следния начин: По време на горенето, химическата потенциална енергия в бензина и енергията във въздуха се преобразуват в топлина. Част от топлината се преобразува в механична енергия в буталния прът и коляновия вал, докато друга част се освобождава през изпускателната тръба. По-голямата част от механичната енергия в буталния прът и коляновия вал се преобразува в механична енергия в превозното средство (движенето на превозното средство), докато малка част се преобразува в топлина. Топлината се генерира чрез триене.
Процесът на адиабатно разширение и компресия в цикъла на Ото може да бъде илюстриран с диаграмата по-долу. Тази диаграма показва идеализиран модел на термодинамичните процеси, протичащи в двигател с вътрешно горене, задвижван от бензин.
Смес от въздух и бензинови пари постъпва в цилиндъра (а). След това сместа от въздух и бензинови пари се компресира адиабатно (а-б). Обърнете внимание, че обемът на цилиндъра намалява. Сместа от въздух и бензинови пари се нагрява при постоянен обем – сместа изгаря (б-в). Изгорелият газ претърпява адиабатно разширение (в-г). Охлаждане при постоянен обем – изгорелият газ се изпуска в изпускателната тръба и в цилиндъра постъпва нова смес от въздух и бензинови пари (г-а).
Смес от въздух и бензинови пари постъпва в цилиндъра (а). След това сместа от въздух и бензинови пари се компресира адиабатно (а-б). Обърнете внимание, че обемът на цилиндъра намалява. Сместа от въздух и бензинови пари се нагрява при постоянен обем – сместа изгаря (б-в). Изгорелият газ претърпява адиабатно разширение (в-г). Охлаждане при постоянен обем – изгорелият газ се изпуска в изпускателната тръба и в цилиндъра постъпва нова смес от въздух и бензинови пари (г-а).
Дизелов цикъл
Принципът на работа на дизеловия двигател е подобен на този на бензиновия двигател. Разликата се състои в началната стъпка на адиабатно компресиране (адиабатно компресиране = компресия, която се извършва толкова бързо, че топлината няма време да влезе или излезе от системата. Системата в този случай е цилиндър). Докато при бензиновия двигател се компресира смес от въздух и бензинови пари, при дизеловия двигател се компресира само въздухът. Адиабатното компресиране води до повишаване на температурата и налягането на въздуха. След това инжекторът, известен още като инжектор, впръсква дизелово гориво. Тъй като температурата и налягането на въздуха вече са много високи, когато дизеловото гориво се впръска в цилиндъра, то веднага се запалва. Няма нужда от свещ. Обърнете внимание на стойността на налягането, показана на диаграмата по-долу. Сравнете я със стойността на налягането, показана на диаграмата на цикъла на Ото.
Тази диаграма показва идеален цикъл на дизелов двигател. Първоначално въздухът се компресира адиабатно (a-b), след това се нагрява при постоянно налягане – инжекторът впръсква дизел и се получава горене (b-c), изгорелият газ претърпява адиабатно разширение (c-d), охлажда се при постоянен обем – изгорелият газ се изхвърля през изпускателната тръба и в цилиндъра постъпва свеж въздух (d-a).
Въз основа на горното обяснение може да се заключи, че всяка топлинна машина има специфично работно вещество. Работното вещество за парна машина е вода, работното вещество за бензинов двигател е въздух и бензинови пари, а работното вещество за дизелов двигател е въздух и дизел. Работното вещество обикновено абсорбира топлина при висока температура (QH ) , извършва работа (W), след което отделя останалата топлина при по-ниска температура (QL ) . Тъй като енергията се запазва, тогава QH = W + QL.
Ефективност на топлинния двигател
Коефициентът на полезно действие (e) на топлинен двигател е съотношението между работата (W), извършена от двигателя, и вложената топлина при висока температура (Q H ). Математически може да се запише по следния начин:
W е печалбата, която получаваме, докато QH са разходите, които правим за закупуване и изгаряне на гориво. Като хора, които винаги искат да получат възможно най-голяма печалба и възможно най-малки разходи, ние наистина се надяваме, че печалбата, която получаваме (W), е съизмерима с разходите, които правим (QH). Възможно ли е това?
Въз основа на закона за запазване на енергията, вложената топлина (Q H ) трябва да е равна на извършената работа (W) + отделената топлина (Q L ). Математически:
За да изразите ефективността на топлинен двигател като процент, просто умножете уравнението за ефективност по 100%. Въз основа на горното уравнение за ефективност, колкото повече топлина се отделя (QL ) от един топлинен двигател, толкова по-малко ефективна е тя. Много бихме искали да имаме възможно най-малко отделена топлина (QL). Вложената топлина (QH) обаче обикновено се получава чрез изгаряне на петрол, въглища, газ и др. (горива, за които плащаме).
Следователно, всеки топлинен двигател е проектиран по същество да бъде възможно най-ефективен. Въпреки че желаем най-голямата възможна полза с най-малките възможни разходи, реалността е, че парните двигатели обикновено са с ефективност около 40%, докато двигателите с вътрешно горене са около 50%. Това означава, че половината от топлината, произведена от изгарянето на гориво, се губи. Само половината се преобразува в механична енергия.
Примерен въпрос 1:
Топлинният двигател абсорбира 3000 джаула топлина (Q H ), извършва работа (W) и отделя 2500 джаула топлина (Q L ). Какъв е коефициентът на полезно действие на топлинния двигател?
Дискусия
Примерен въпрос 2:
Топлинният двигател абсорбира 3000 джаула топлина (Q H ), извършва работа (W) и отделя 2000 джаула топлина (Q L ). Какъв е коефициентът на полезно действие на топлинния двигател?
Дискусия
Примерен въпрос 3:
Топлинният двигател абсорбира 3000 джаула топлина (Q H ), извършва работа (W) и отделя 1500 джаула топлина (Q L ). Какъв е коефициентът на полезно действие на топлинния двигател?
Дискусия
