Članak o drugom zakonu termodinamike
Svi prirodni procesi se odvijaju samo u jednom smjeru, ali se ne mogu odvijati u suprotnom smjeru, što se obično naziva nepovratnim procesima. Nakon što se oslobodi sa stabljike i slobodno padne na tlo, mango se više nikada ne pomiče prema gore. Knjiga koju gurnemo, a zatim zaustavimo, nikada se ne vraća prema nama. Ako dodirnemo objekt visoke temperature (vrući objekt) objektom niske temperature (hladnim objektom), toplina prirodno teče od objekta visoke temperature do objekta niske temperature. Nikada ne vidimo obrnuti proces, gdje se toplina prirodno kreće od hladnog objekta do vrućeg objekta. Ako bi se ovaj proces dogodio, hladan objekt bi postao hladniji, dok bi vrući objekt postao topliji. Ali u stvarnosti, to nije tako. Postoje mnogi nepovratni procesi koji se čine različitim jedni od drugih, ali svi uključuju promjene u obliku energije i prijenos energije s jednog objekta na drugi.
Na primjer, dogodi se snažan zemljotres koji uzrokuje urušavanje zgrada (zgrade se ruše zbog energije koju nose talasi zemljotresa). Jeste li ikada vidjeli kako se svaki dio srušene zgrade ponovo sastavi i stoji uspravno kao prije? Ili, na primjer, čaša padne na pod i razbije se... Jeste li ikada vidjeli kako se fragmenti stakla razasuti po podu ponovo sastave i formiraju čašu koja je cijela kao prije? Nikada se nije dogodilo... ima mnogo drugih primjera.
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 :
Toplota se sama od sebe kreće od objekta visoke temperature do objekta niske temperature; toplota se neće sama od sebe kretati od objekta niske temperature do objekta visoke temperature (Drugi zakon termodinamike - Clausiusova tvrdnja).
Clausiusova tvrdnja je posebna tvrdnja drugog zakona termodinamike. Naziva se posebnom tvrdnjom jer se odnosi samo na jedan proces, naime prijenos topline. Budući da se ova tvrdnja ne odnosi na druge procese, potrebna nam je općita tvrdnja. Razvoj opće tvrdnje drugog zakona termodinamike djelomično je zasnovan na proučavanju toplinskih motora. Stoga ćemo prvo razmotriti toplinske motore.
TOPLOTNI MOTORI
Veliki dio energije koju koristimo dolazi iz hemijske potencijalne energije sadržane u nafti, plinu i uglju. Hemijska potencijalna energija sadržana u nafti, plinu ili uglju ne može se direktno koristiti. Nafta, plin ili ugalj prvo se moraju sagorjeti. Tipično, sagorijevanje fosilnih goriva (nafta, plin i ugalj) proizvodi toplinu. Toplota se može direktno koristiti za kuhanje hrane i grijanje prostorije. Da bismo nešto pomaknuli (na primjer, da bismo pomaknuli vozilo), moramo pretvoriti toplinu u kinetičku energiju ili mehaničku energiju (mehanička energija = potencijalna energija + kinetička energija). Pretvaranje mehaničke energije u toplinu je vrlo jednostavan posao, ali pretvaranje topline u mehaničku energiju je teško. Pokušajte protrljati dlanove jedan o drugi... vaši dlanovi su vrući, zar ne? Kada trljamo dlanove jedan o drugi (vršimo rad), mehanička energija se pretvara u toplinu. Proces je vrlo jednostavan... Čak se i beskonačna toplina može proizvesti obavljanjem rada. Ali obrnuti proces, naime korištenje topline za obavljanje rada, je težak.
Uređaj koji se koristio za iskorištavanje toplote za obavljanje rada izumljen je tek 1700. godine. Dotični uređaj bila je parna mašina. Parne mašine su prvi put korištene za ispumpavanje vode iz rudnika uglja. Važno je napomenuti da se prva upotreba parnih mašina dogodila prije nego što su naučnici znali da je toplota zapravo energija koja se prenosi zbog temperaturnih razlika (prvi zakon termodinamike još nije bio formulisan).
Upotreba parnih mašina u to vrijeme vjerovatno se zasnivala na svakodnevnom iskustvu koje je pokazivalo da para može pokretati stvari. Parne mašine se smatraju toplotnim mašinama (toplotna mašina = uređaj za pretvaranje toplote u mehaničku energiju). Danas se parne mašine koriste za proizvodnju električne energije. Moderne toplotne mašine su motori sa unutrašnjim sagorijevanjem (motori automobila, motori motocikala itd.).
Osnovna ideja iza korištenja toplotnog motora je da se toplota može pretvoriti u mehaničku energiju samo ako joj se dozvoli da teče iz područja visoke temperature u područje niske temperature. Tokom ovog procesa, dio toplote se pretvara u mehaničku energiju (dio toplote se koristi za obavljanje rada), dok se dio toplote odbija u područje niske temperature. Proces pretvorbe energije i prijenosa energije u toplotnom motoru prikazan je na dijagramu.
Visoka temperatura (TH) i niska temperatura (TL) se naziva i radna temperatura motora. Toplota koja teče iz mjesta visoke temperature označava se simbolom QH, dok se toplota koja se oslobađa na mjesto s niskom temperaturom označava simbolom QL. Prilikom protoka iz mjesta visoke temperature u mjesto niske temperature, određeni QH pretvara se u mehaničku energiju (koristi se za obavljanje rada), dio se oslobađa kao QLZapravo se zaista nadamo da će sva QH može se pretvoriti u W, ali svakodnevno iskustvo pokazuje da je to nemoguće. Uvijek se gubi određena količina toplote. Dakle, na osnovu zakona o očuvanju energije, može se zaključiti da je QH = W + QL.
Sada razmotrimo toplotni motor koji se obično koristi za pretvaranje toplote u mehaničku energiju. Važno je napomenuti da razmatramo samo toplotne motore koji obavljaju kontinuirani rad. Da bi se rad obavljao kontinuirano, toplota mora kontinuirano teći iz područja visoke temperature u područje niske temperature. Ako toplota teče samo jednom, rad koji izvrši toplotni motor također će biti obavljen samo jednom (proizvedena mehanička energija bit će vrlo mala). Stoga se toplotni motor ne može optimalno iskoristiti. Toplotni motor se može optimalno iskoristiti ako kontinuirano obavlja rad. Drugim riječima, mehanička energija koju proizvodi toplotni motor dovoljna je da se koristi za pomicanje nečega.
Parna mašina
Parne mašine koriste vodenu paru kao medij za prijenos topline. Para se naziva radnom tvari parne mašine. Postoje dvije vrste parnih mašina: klipne parne mašine i turbinske parne mašine (parne turbine). Njihovi se dizajni malo razlikuju, ali obje vrste dijele sličnosti: koriste paru zagrijanu sagorijevanjem nafte, plina, uglja ili nuklearne energije.
Klipni tip parne mašine
Voda u posudi se obično zagrijava pod visokim pritiskom. Budući da se zagrijava pod visokim pritiskom, proces ključanja se odvija na visokoj temperaturi. Temperatura je direktno proporcionalna pritisku. Što je viša temperatura pare, to je veći pritisak pare. Ova para visoke temperature ili visokog pritiska kreće se kroz ulazni ventil i širi se uz klip. Kako se širi, para gura klip, uzrokujući njegovo pomicanje udesno.
Dio toplote u pari se pretvara u kinetičku energiju. Kada se klip pomiče udesno, točak povezan s klipom se okreće (1). Nakon pola rotacije, točak vraća klip u prvobitni položaj (2). Kada se klip pomiče ulijevo, ulazni ventil se automatski zatvara, dok se ispušni ventil automatski otvara. Para se kondenzuje u kondenzatoru, pretvarajući se u rosu. Zatim se voda u kondenzatoru pumpa nazad u posudu da ponovo prokuha. I tako dalje... Budući da se proces ponavlja, klip se kontinuirano pomiče udesno i ulijevo. Budući da se klip kontinuirano pomiče udesno i ulijevo, točak se također kontinuirano okreće. Rotacija točka se obično koristi za pomicanje nečega.
Parna turbina
Princip rada parne turbine je u suštini isti kao i kod klipne parne mašine. Razlika je u tome što klipna parna mašina koristi klip, dok parna turbina koristi turbinu. Kod klipne parne mašine, toplota se prvo pretvara u translacionu kinetičku energiju klipa. Nakon toga, translaciona kinetička energija klipa se pretvara u rotacionu kinetičku energiju rotirajućeg točka. U parnoj turbini, toplota se direktno pretvara u rotacionu kinetičku energiju turbine. Turbina se može okretati zbog razlike pritiska. Temperatura pare iznad lopatice je mnogo viša od temperature pare ispod lopatice. Lopatica je tanka ploča koja se nalazi u centru turbine. Temperatura je direktno proporcionalna pritisku. Budući da je temperatura pare iznad lopatice viša od temperature pare ispod lopatice, pritisak pare iznad lopatice je veći od pritiska ispod lopatice. Ova razlika pritiska uzrokuje da para gura lopaticu prema dolje, uzrokujući rotaciju turbine. Smjer rotacije turbine prikazan je na slici.
Važno je napomenuti da se princip rada parne mašine zasniva na dijagramu prijenosa energije objašnjenom gore. U ovom slučaju, mehanička energija se može generirati omogućavanjem protoka toplote od objekta ili mjesta s visokom temperaturom do objekta ili mjesta s niskom temperaturom. Stoga je temperaturna razlika neophodna kod parne mašine.
Ako obratite pažnju na to kako radi klipna parna mašina, primijetit ćete da se klip i dalje može pomicati lijevo i desno iako nema temperaturne razlike (nema kondenzatora ili pumpe). Klip se može pomicati desno zbog širenja pare visoke temperature ili visokog pritiska. U ovom slučaju, dio topline u pari se pretvara u translacijsku kinetičku energiju klipa. Ova translacijska kinetička energija klipa se zatim pretvara u rotacijsku kinetičku energiju rotirajućeg točka. Nakon završetka pola rotacije, točak gura klip nazad ulijevo. Kada točak gura klip nazad ulijevo, rotacijska kinetička energija točka se ponovo pretvara u translacijsku kinetičku energiju klipa. Kako se klip pomiče ulijevo, istiskuje paru u cilindru. Istovremeno, otvara se ispušni ventil.
Dakle, para koju potiskuje klip gurnut će svog prijatelja ispod ispušnog ventila. Sada, ako je temperatura pare ispod ispušnog ventila jednaka temperaturi pare koju potiskuje klip, tada će se sva translaciona kinetička energija klipa pretvoriti nazad u unutrašnju energiju pare. Unutrašnja energija je direktno proporcionalna temperaturi. Ako se unutrašnja energija pare poveća, temperatura pare se povećava. Temperatura je direktno proporcionalna pritisku. Ako se temperatura pare poveća, pritisak pare se također povećava. Dakle, pritisak pare koja se oslobađa kroz ispušni ventil jednak je pritisku pare koja ulazi kroz ulazni ventil. Klip će se nastaviti kontinuirano kretati desno i lijevo, ali neće biti ukupne kinetičke energije koja se može iskoristiti (neće biti proizvedenog ukupnog rada). Dakle, kinetička energija koju klip primi tokom procesa ekspanzije (klip se pomiče udesno) bit će vraćena pari tokom procesa kompresije (klip se pomiče ulijevo).
Zaključuje se da je temperaturna razlika u parnoj mašini i dalje neophodna. Ova temperaturna razlika u parnoj mašini može se postići korištenjem kondenzatora. Kada su temperatura i pritisak pare ispod ispušnog ventila mnogo niži od temperature i pritiska pare u cilindru, tada kada se klip pomiče nazad ulijevo, količina pritiska koju klip vrši na paru je mnogo manja od količine pritiska koju para vrši na klip kada se klip pomiče udesno. Drugim riječima, količina rada koju klip obavlja na pari je mnogo manja od količine rada koju para obavlja na klipu. Dakle, samo mali dio kinetičke energije klipa se vraća pari. Dakle, postojat će ukupna kinetička energija ili ukupni proizvedeni rad. Ova ukupna kinetička energija se koristi za pomicanje nečega.
Motor sa unutrašnjim sagorijevanjem
Motori motocikala i automobila su primjeri motora sa unutrašnjim sagorijevanjem. Nazivaju se motori sa unutrašnjim sagorijevanjem jer se proces sagorijevanja odvija unutar zatvorenog cilindra. Motori sa unutrašnjim sagorijevanjem rezultat su inženjeringa koncepta adijabatske kompresije i ekspanzije, objašnjenog u prvom zakonu termodinamike.
Razmatraćemo samo motore sa unutrašnjim sagorijevanjem koji koriste benzin i dizel kao gorivo. Benzin i dizel su naftni derivati i stoga posjeduju hemijsku potencijalnu energiju. Hemijska potencijalna energija u benzinu i dizelu se prvo pretvara u toplotu kroz proces sagorijevanja. Toplota proizvedena sagorijevanjem se zatim pretvara u mehaničku energiju. Ova mehanička energija je ono što omogućava kretanje motocikla ili automobila. Ciklus u benzinskom motoru se naziva Ottov ciklus, dok se ciklus u dizel motoru naziva dizel ciklus. Ciklus je reverzibilan termodinamički proces. Prvo ćemo razgovarati o Ottovom ciklusu.
Ottov ciklus
Ovo je dijagram četverotaktnog motora sa unutrašnjim sagorijevanjem. Mješavina zraka i benzinske pare struji iz karburatora u cilindar dok se klip kreće prema dolje (usisni takt). Mješavina zraka i benzinske pare u cilindru se zatim adijabatski komprimira dok se klip kreće prema gore (kompresijski takt). Budući da se adijabatski komprimira, temperatura i pritisak smjese se povećavaju. Istovremeno, svjećica pali smjesu, paleći je. Kako sagorijeva, temperatura i pritisak plina se povećavaju. Plin visoke temperature i visokog pritiska širi se uz klip, gurajući ga prema dolje (ekspanzijski takt). Sagorjeli plin se zatim ispušta kroz ispušni ventil i usmjerava prema ispušnoj cijevi (izduvni takt). Usisni ventil se ponovo otvara i četiri takta se ponavljaju.
Važno je napomenuti da je svrha adijabatskog takta kompresije povećanje temperature i pritiska smjese pare zraka i benzina. Sagorijevanje pod visokim pritiskom proizvodi vrlo visoke temperature i pritiske. Posljedično, potisak (F = PA) koji se generira tokom procesa ekspanzije je vrlo velik. To rezultira time da motor motocikla ili automobila postaje snažniji. Čak i bez kompresije, smjesa pare zraka i benzina može se zapaliti kada svjećica proizvede iskru. Međutim, temperatura i pritisak sagorjelog plina nisu vrlo visoki, pa je i rezultirajući potisak mali. Kao rezultat toga, motor postaje manje snažan.
Proces transformacije i prijenosa energije u četverotaktnom motoru s unutrašnjim sagorijevanjem može se objasniti na sljedeći način: Tokom sagorijevanja, hemijska potencijalna energija u benzinu i energija u zraku pretvaraju se u toplinu. Dio topline se pretvara u mehaničku energiju u klipnjači i radilici, dok se dio oslobađa kroz ispušnu cijev. Većina mehaničke energije u klipnjači i radilici pretvara se u mehaničku energiju u vozilu (kretanje vozila), dok se mali dio pretvara u toplinu. Toplota nastaje trenjem.
Adijabatski proces ekspanzije i kompresije u Ottovom ciklusu može se ilustrovati dijagramom ispod. Ovaj dijagram prikazuje idealizovani model termodinamičkih procesa koji se odvijaju u motoru sa unutrašnjim sagorijevanjem na benzinski pogon.
Smjesa zraka i benzinske pare ulazi u cilindar (a). Smjesa zraka i benzinske pare se zatim adijabatski komprimira (a-b). Treba napomenuti da se volumen cilindra smanjuje. Smjesa zraka i benzinske pare se zagrijava pri konstantnoj zapremini – smjesa sagorijeva (b-c). Sagorjeli plin podliježe adijabatskoj ekspanziji (c-d). Hlađenje pri konstantnoj zapremini – sagorjeli plin se ispušta u ispušnu cijev i nova smjesa zraka i benzinske pare ulazi u cilindar (d-a).
Smjesa zraka i benzinske pare ulazi u cilindar (a). Smjesa zraka i benzinske pare se zatim adijabatski komprimira (a-b). Treba napomenuti da se volumen cilindra smanjuje. Smjesa zraka i benzinske pare se zagrijava pri konstantnoj zapremini – smjesa sagorijeva (b-c). Sagorjeli plin podliježe adijabatskoj ekspanziji (c-d). Hlađenje pri konstantnoj zapremini – sagorjeli plin se ispušta u ispušnu cijev i nova smjesa zraka i benzinske pare ulazi u cilindar (d-a).
Dizelski ciklus
Princip rada dizel motora sličan je principu rada benzinskog motora. Razlika leži u početnom koraku adijabatske kompresije (adijabatska kompresija = kompresija koja se vrši tako brzo da toplota nema vremena da uđe ili izađe iz sistema. Sistem je u ovom slučaju cilindar). Dok se kod benzinskog motora komprimuje mješavina zraka i benzinske pare, kod dizel motora se komprimuje samo zrak. Adijabatska kompresija uzrokuje povećanje temperature i pritiska zraka. Zatim, injektor, također poznat kao ubrizgivač, raspršuje dizel. Budući da su temperatura i pritisak zraka već vrlo visoki, kada se dizel ubrizga u cilindar, dizel se odmah pali. Nema potrebe za svjećicom. Obratite pažnju na vrijednost pritiska prikazanu na dijagramu ispod. Uporedite je s vrijednošću pritiska prikazanom na Ottovom cikličkom dijagramu.
Ovaj dijagram prikazuje idealan dizelski ciklus. U početku se zrak adijabatski komprimira (a-b), zatim zagrijava pri konstantnom pritisku – injektor ubrizgava dizel i dolazi do sagorijevanja (b-c), sagorjeli plin se adijabatski širi (c-d), hladi se pri konstantnoj zapremini – sagorjeli plin se izbacuje kroz ispušnu cijev, a svježi zrak ulazi u cilindar (d-a).
Na osnovu gore navedenog objašnjenja, može se zaključiti da svaka toplotna mašina u osnovi ima specifičnu radnu supstancu. Radna supstanca za parnu mašinu je voda, radna supstanca za benzinski motor je zrak i benzinska para, a radna supstanca za dizel motor je zrak i dizel. Radna supstanca obično apsorbuje toplotu na visokoj temperaturi (QH ) , obavlja rad (W), a zatim oslobađa preostalu toplotu na nižoj temperaturi (QL ) . Pošto se energija očuva, tada je QH = W + QL.
Efikasnost toplotnog motora
Stepen korisnosti (e) toplotne mašine je odnos između rada (W) koji motor obavi i unosa toplote na visokoj temperaturi (Q H ). Matematički, to se može napisati na sljedeći način:
W je profit koji ostvarujemo, dok je QH trošak koji snosimo za kupovinu i sagorijevanje goriva. Kao ljudi koji uvijek žele ostvariti najveći mogući profit i najmanji mogući trošak, zaista se nadamo da je profit koji ostvarimo (W) srazmjeran trošku koji snosimo (QH). Je li to moguće?
Na osnovu zakona o očuvanju energije, unesena toplota (Q H ) mora biti jednaka izvršenom radu (W) + oslobođenoj toploti (Q L ). Matematički:
Da biste izrazili efikasnost toplotne mašine u procentima, jednostavno pomnožite jednačinu efikasnosti sa 100%. Na osnovu gornje jednačine efikasnosti, što više toplote odbaci (QL ) toplotna mašina, to je manje efikasna. Željeli bismo da imamo što manje odbačene toplote (QL ) . Međutim, unos toplote (QH ) se obično dobija sagorijevanjem nafte, uglja, gasa itd. (goriva koja plaćamo).
Stoga je svaka toplotna mašina u suštini dizajnirana da bude što efikasnija. Iako želimo najveću moguću korist uz najmanje moguće troškove, stvarnost je da su parne mašine obično efikasnije od oko 40%, dok su motori sa unutrašnjim sagorijevanjem oko 50%. To znači da se polovina toplote proizvedene sagorijevanjem goriva gubi. Samo polovina se pretvara u mehaničku energiju.
Primjer pitanja 1:
Toplotna mašina apsorbuje 3000 Džula toplote (Q H ), obavlja rad (W) i oslobađa 2500 Džula toplote (Q L ). Kolika je efikasnost toplotne mašine?
Diskusija
Primjer pitanja 2:
Toplotna mašina apsorbuje 3000 Džula toplote (Q H ), vrši rad (W) i oslobađa 2000 Džula toplote (Q L ). Kolika je efikasnost toplotne mašine?
Diskusija
Primjer pitanja 3:
Toplotna mašina apsorbuje 3000 Džula toplote (Q H ), vrši rad (W) i oslobađa 1500 Džula toplote (Q L ). Kolika je efikasnost toplotne mašine?
Diskusija
