За да обяснят необратимите термодинамични процеси, учените формулирали втория закон на термодинамиката. Вторият закон на термодинамиката обяснява какви процеси могат да протичат във Вселената и какви не могат. Един учен на име Р. Дж. Е. Клаузиус (1822-1888) направил следното твърдение:
Естествено, топлината се премества от обекти с висока температура към обекти с ниска температура; естествено, топлината не преминава от обекти с ниска температура към обекти с висока температура (Втори закон на термодинамиката - твърдението на Клаузиус).
Твърдението на Клаузиус е едно от специалните твърдения на втория закон на термодинамиката. Нарича се специално твърдение, защото се отнася само за един процес, свързан с топлопреноса. Тъй като това твърдение не е свързано с други процеси, се нуждаем от по-общо твърдение. Разработването на общо твърдение на втория закон на термодинамиката се основава на изучаването на топлинните двигатели. Следователно, първо ще разгледаме топлината на двигателя.
Топлинен двигател
Голяма част от енергията, която използваме, идва от химическа потенциална енергия, съдържаща се в петрола, газа и въглищата. Химическата потенциална енергия, която се използва директно, трябва първо да бъде изгорена. Обикновено изгарянето на изкопаеми горива (петрол, газ и въглища) произвежда топлина. Топлината може да се използва директно за готвене на храна, отопление на помещения. За да движим нещо (например, превозно средство), трябва да преобразуваме топлината в кинетична или механична енергия (механична енергия = потенциална енергия + кинетична енергия).
Инструмент, който използва топлина за извършване на работа, е открит през 1700 г. Това е парна машина. Парната машина е използвана за първи път за изпомпване на вода от въглищна мина.
Парните двигатели се използват, защото парата може да движи предмети. Парните двигатели включват топлинен двигател (топлинният двигател е инструмент за преобразуване на топлината в механична енергия). Сега парният двигател се използва за генериране на електрическа енергия. Съвременните топлинни двигатели са двигатели с вътрешно горене, като например автомобилни двигатели, мотоциклетни двигатели и др.
Основната идея зад използването на топлинни двигатели е, че топлината може да се преобразува в механична енергия, ако се позволи на топлината да преминава от високи към ниски температури. По време на този процес част от топлината се преобразува в механична енергия (част от топлината се използва за извършване на работа), а друга част се отделя на места с ниска температура. Процесът на промяна на формата на енергията и пренос на енергия в топлинния двигател изглежда като тази диаграма.
Висока температура (TH) и ниска температура (TL) се наричат работна температура на машината. QH е топлината, излъчвана от високата температура, докато QL е топлината, преминаваща към мястото с ниска температура. При преминаване от високи към ниски температури, част от топлината се преобразува в механична енергия (използва се за работа), а друга част се отделя като QLЦялата топлина не може да се преобразува в работа (W), винаги има топлина, която се отделя (QL). По този начин, въз основа на закона за запазване на енергията, QH = W + QL.
Има няколко топлинни машини, включително парни машини и двигатели с вътрешно горене.
Парен двигател
Парните двигатели използват водна пара като топлоносител. Парата е работен флуид. Има два вида парни двигатели: парни двигатели с променлив ток и турбинни парни двигатели. Конструкцията на тези двигатели е различна, но тези два вида парни двигатели използват пара, която се нагрява чрез изгаряне на нефт, газ, въглища или чрез използване на ядрена енергия.
Двигатели с вътрешно горене
Мотоциклетните двигатели и автомобилните двигатели са примери за двигатели с вътрешно горене. Наричат се двигател с вътрешно горене, защото процесът на горене протича в затворени цилиндри. Наличието на двигател с вътрешно горене е резултат от инженерната концепция за адиабатно компресиране и разширение.
КПД на топлинния двигател
Коефициентът на полезно действие на топлинния двигател (e) е сравнение между работата (W), извършена от машината, и вложената топлина при висока температура (QH ).
W е получената печалба, докато Q H са разходите, направени за закупуване и изгаряне на гориво. Като човешки същества, които винаги искат да получат максимална печалба и най-малки разходи, ние се надяваме, че увеличението на печалбата (W) е пропорционално на разходите, които харчим (Q H ). Възможно ли е това да се случи?
Въз основа на закона за запазване на енергията, топлината (Q H ) трябва да е равна на работата (W) + отделената топлина (Q L ).
Заместете W в уравнение 1 с W в уравнение 2
Това е уравнението за ефективност на топлинния двигател.
Въпрос 1:
Топлинен двигател абсорбира 3000 джаула (Q H ) топлина, извършва работа (W) и отвежда 2500 джаула (Q L ) топлина. Изчислете топлинния КПД на двигателя.
Решение
КПД на топлинния двигател = 17%.
Въпрос 2:
Топлинен двигател абсорбира 3000 джаула топлина (Q H ), извършва работа (W) и отвежда 2000 джаула топлина (Q L ). Изчислете коефициента на полезно действие на топлинния двигател.
Решение
КПД на топлинния двигател = 34%.
Въпрос 3:
Топлинният двигател абсорбира 3000 джаула топлина (Q H ), извършва работа (W) и отделя до 1500 джаула топлина (Q L ). Изчислете коефициента на полезно действие на топлинния двигател?
Решение
КПД на топлинния двигател = 50%.
