Da bi objasnili nepovratne termodinamičke procese, naučnici su formulisali drugi zakon termodinamike. Drugi zakon termodinamike objašnjava koji se procesi mogu odvijati u svemiru, a koji se ne mogu. Jedan naučnik po imenu RJE Clausius (1822-1888) dao je sljedeću izjavu:
Prirodno, toplota se prenosi sa objekata visoke temperature na objekte niske temperature; prirodno, toplota se ne prenosi sa objekata niske temperature na objekte visoke temperature (Drugi zakon termodinamike - Clausiusova tvrdnja).
Clausiusova tvrdnja je jedna od posebnih tvrdnji drugog zakona termodinamike. Naziva se posebnom tvrdnjom jer se odnosi samo na jedan proces, a to je prijenos topline. Budući da ova tvrdnja nije povezana s drugim procesima, potrebna nam je općita tvrdnja. Razvoj opće tvrdnje drugog zakona termodinamike temelji se na proučavanju toplinskih motora. Stoga ćemo prvo razmotriti toplinu motora.
Toplotni motor
Veliki dio energije koju koristimo dolazi iz hemijske potencijalne energije sadržane u nafti, plinu i uglju. Hemijska potencijalna energija koja se primjenjuje da bi se direktno iskoristila prvo se mora sagorjeti. Obično, sagorijevanje fosilnih goriva (nafte, plina i uglja) proizvodi toplinu. Toplota se može direktno koristiti za kuhanje hrane, grijanje prostorija. Da bismo nešto pomaknuli (kao što je pomicanje vozila), moramo pretvoriti toplinu u kinetičku energiju ili mehaničku energiju (mehanička energija = potencijalna energija + kinetička energija).
Alat koji koristi toplinu za obavljanje rada otkriven je 1700. godine. Bila je to parna mašina. Parna mašina je prvi put korištena za ispumpavanje vode iz rudnika uglja.
Upotreba parnih mašina je uslovljena time što para može pokretati stvari. Parne mašine uključuju toplotni motor (toplotni motor je alat za pretvaranje toplote u mehaničku energiju). Sada se parni motor koristi za proizvodnju električne energije. Moderni toplotni motori su motori sa unutrašnjim sagorijevanjem, kao što su automobilski motori, motori motocikala itd.
Osnovna ideja koja stoji iza upotrebe toplotnih motora je da se toplota može pretvoriti u mehaničku energiju ako se dozvoli da toplota teče od visokih do niskih temperatura. Tokom ovog procesa, dio toplote se pretvara u mehaničku energiju (dio toplote se koristi za obavljanje rada), a dio toplote se oslobađa na mjestima sa niskim temperaturama. Proces promjene oblika energije i prenosa energije u toplotnom motoru izgleda kao na ovom dijagramu.
Visoka temperatura (TH) i niska temperatura (TL) nazivaju se radna temperatura mašine. QH je toplota koja teče sa visoke temperature, dok je QL je toplota koja teče prema mjestu s niskom temperaturom. Pri prelasku s visokih na niske temperature, dio toplote se pretvara u mehaničku energiju (koristi se za rad), a dio toplote se odlaže kao QLNe može se sva toplota pretvoriti u rad (W), uvijek postoji toplota koja se oslobađa (QL). Dakle, na osnovu zakona o očuvanju energije, QH = W + QL.
Postoji nekoliko toplotnih motora, uključujući parne motore i motore sa unutrašnjim sagorijevanjem.
Parni motor
Parne mašine koriste vodenu paru kao medij za prijenos topline. Para je radni fluid. Postoje dvije vrste parnih mašina: naizmjenične parne mašine i turbinske parne mašine. Dizajn ovih motora je različit, ali ove dvije vrste parnih mašina koriste paru koja se zagrijava sagorijevanjem nafte, plina, uglja ili korištenjem nuklearne energije.
Motori sa unutrašnjim sagorijevanjem
Motori motocikala i automobili su primjeri motora sa unutrašnjim sagorijevanjem. Nazivaju se motori sa unutrašnjim sagorijevanjem jer se proces sagorijevanja odvija unutar zatvorenih cilindara. Prisustvo motora sa unutrašnjim sagorijevanjem rezultat je inženjerskog koncepta adijabatske kompresije i ekspanzije.
Efikasnost toplotnog motora
Stepen korisnosti toplotne mašine (e) je poređenje između rada (W) koji mašina izvrši sa unosom toplote na visokoj temperaturi (QH ).
W je ostvareni dobitak, dok je Q H trošak nastao prilikom kupovine i sagorijevanja goriva. Kao ljudska bića koja uvijek žele ostvariti maksimalan profit uz najmanje troškove, nadamo se da će povećanje profita (W) biti proporcionalno troškovima koje trošimo (Q H ). Može li se to dogoditi?
Na osnovu zakona o očuvanju energije, toplota (Q H ) mora biti jednaka radu (W) + ispuštenoj toploti (Q L ).
Zamijenite W u jednačini 1 sa W u jednačini 2
Ovo je jednačina korisnog dejstva toplotnog motora.
Pitanje 1:
Toplotna mašina apsorbuje 3000 Džula (Q H ) toplote, obavlja rad (W) i odvodi 2500 Džula (Q L ) toplote. Izračunajte toplotni stepen korisnosti motora.
rastvor
Stepen korisnosti toplotnog motora = 17%.
Pitanje 2:
Toplotna mašina apsorbuje 3000 Džula toplote (Q H ), vrši rad (W) i odvodi 2000 Džula toplote (Q L ). Izračunajte stepen korisnosti toplotne mašine.
rastvor
Stepen korisnosti toplotnog motora = 34%.
Pitanje 3:
Toplotna mašina apsorbuje 3000 Džula toplote (Q H ), vrši rad (W) i oslobađa čak 1500 Džula toplote (Q L ). Izračunajte stepen korisnosti toplotne mašine?
rastvor
Stepen korisnosti toplotnog motora = 50%.
