Segona llei de la termodinàmica

Article sobre la Segona Llei de la Termodinàmica

Tots els processos naturals es produeixen en una sola direcció, però no poden ocórrer en la direcció oposada, comunament anomenats processos irreversibles. Després de ser alliberat de la seva tija i caure lliurement a terra, un mango no torna a moure's cap amunt. Un llibre que empenyem i després aturem mai no torna cap a nosaltres. Si toquem un objecte d'alta temperatura (objecte calent) amb un objecte de baixa temperatura (objecte fred), la calor flueix naturalment de l'objecte d'alta temperatura a l'objecte de baixa temperatura. Mai veiem el procés invers, on la calor es mou naturalment d'un objecte fred a un objecte calent. Si aquest procés es produís, l'objecte fred es refredaria, mentre que l'objecte calent es escalfaria. Però en realitat, no és així. Hi ha molts processos irreversibles que semblen diferents entre si, però tots impliquen canvis en la forma d'energia i la transferència d'energia d'un objecte a un altre.

Per exemple, hi ha un terratrèmol potent que fa que els edificis s'esfondrin (els edificis s'esfondren a causa de l'energia que transporten les ones sísmiques). Heu vist mai com cada part de l'edifici esfondrat es torna a unir i es manté dreta com abans? O, per exemple, un vidre cau a terra i es trenca... Heu vist mai com els fragments de vidre escampats pel terra es tornen a unir i formen un vidre que està sencer com abans? Mai ha passat... hi ha molts altres exemples.

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 :

La calor es mou per si mateixa d'un objecte d'alta temperatura a un objecte de baixa temperatura; la calor no es mourà per si mateixa d'un objecte de baixa temperatura a un objecte d'alta temperatura (segona llei de la termodinàmica - enunciat de Clausius).

L'enunciat de Clausius és un enunciat especial de la segona llei de la termodinàmica. S'anomena enunciat especial perquè només s'aplica a un procés, és a dir, la transferència de calor. Com que aquest enunciat no es relaciona amb altres processos, necessitem un enunciat més general. El desenvolupament de l'enunciat general de la segona llei de la termodinàmica es va basar en part en l'estudi dels motors tèrmics. Per tant, primer parlarem dels motors tèrmics.

MOTOR TÈRMIC

Gran part de l'energia que fem servir prové de l'energia potencial química continguda en el petroli, el gas i el carbó. L'energia potencial química continguda en el petroli, el gas o el carbó no es pot utilitzar directament. El petroli, el gas o el carbó s'han de cremar primer. Normalment, la crema de combustibles fòssils (petroli, gas i carbó) produeix calor. La calor es pot utilitzar directament per cuinar aliments i escalfar una habitació. Per moure alguna cosa (per exemple, per moure un vehicle), hem de convertir la calor en energia cinètica o energia mecànica (energia mecànica = energia potencial + energia cinètica). Convertir l'energia mecànica en calor és una feina molt fàcil, però convertir la calor en energia mecànica és difícil. Intenta fregar-te els palmells... els teus palmells estan calents, oi? Quan ens freguem els palmells (fem treball), l'energia mecànica es converteix en calor. El procés és molt fàcil... Fins i tot es pot produir calor infinita fent treball. Però el procés invers, és a dir, utilitzar la calor per fer treball, és difícil.

Un dispositiu utilitzat per aprofitar la calor per realitzar treball no es va inventar fins al 1700. El dispositiu en qüestió era la màquina de vapor. Les màquines de vapor es van utilitzar per primera vegada per bombar aigua de les mines de carbó. És important tenir en compte que el primer ús de les màquines de vapor va tenir lloc abans que els científics sabessin que la calor és en realitat energia transferida a causa de diferències de temperatura (la primera llei de la termodinàmica encara no s'havia formulat).

L'ús de màquines de vapor en aquella època probablement es basava en l'experiència quotidiana que demostrava que el vapor podia moure coses. Les màquines de vapor es consideren màquines tèrmiques (una màquina tèrmica = un dispositiu per convertir la calor en energia mecànica). Avui dia, les màquines de vapor s'utilitzen per generar energia elèctrica. Els motors tèrmics moderns són motors de combustió interna (motors de cotxes, motors de motocicletes, etc.).

La idea bàsica darrere de l'ús d'un motor tèrmic és que la calor només es pot convertir en energia mecànica si es permet que flueixi d'una regió d'alta temperatura a una regió de baixa temperatura. Durant aquest procés, part de la calor es converteix en energia mecànica (part de la calor s'utilitza per fer treball), mentre que part de la calor es rebutja a la regió de baixa temperatura. El procés de conversió d'energia i transferència d'energia en un motor tèrmic es mostra al diagrama.

Alta temperatura (T_H) i baixa temperatura (T_L) també s'anomena temperatura de funcionament del motor. La calor que flueix des d'un lloc d'alta temperatura rep el símbol Q_H, mentre que la calor que s'allibera a un lloc de baixa temperatura rep el símbol Q_L. Quan flueix d'un lloc d'alta temperatura a un lloc de baixa temperatura, una certa Q_H convertida en energia mecànica (utilitzada per fer treball), part d'ella s'allibera com a Q_LDe fet, esperem que tots els Q_H es pot convertir en W, però l'experiència quotidiana demostra que això és impossible. Sempre es perd una mica de calor. Per tant, basant-nos en la conservació de l'energia, es pot concloure que Q_H = W + Q_L.

Ara revisem un motor tèrmic que s'utilitza habitualment per convertir la calor en energia mecànica. És important tenir en compte que només estem considerant motors tèrmics que realitzen un treball continu. Perquè el treball es realitzi de manera contínua, la calor ha de fluir contínuament d'una regió d'alta temperatura a una regió de baixa temperatura. Si la calor només flueix una vegada, el treball realitzat pel motor tèrmic també només es farà una vegada (l'energia mecànica produïda serà molt petita). Per tant, el motor tèrmic no es pot utilitzar de manera òptima. Un motor tèrmic es pot utilitzar de manera òptima si realitza un treball contínuament. En altres paraules, l'energia mecànica produïda pel motor tèrmic és suficient per ser utilitzada per moure alguna cosa.

màquina de vapor

Les màquines de vapor utilitzen vapor d'aigua com a medi de transferència de calor. El vapor es coneix com la substància de treball d'una màquina de vapor. Hi ha dos tipus de màquines de vapor: les màquines de vapor alternatives i les màquines de vapor amb turbina (turbines de vapor). Els seus dissenys difereixen lleugerament, però tots dos tipus comparteixen similituds: utilitzen vapor escalfat cremant petroli, gas, carbó o energia nuclear.

Màquina de vapor de tipus alternatiu

L'aigua en un recipient s'escalfa normalment a alta pressió. Com que s'escalfa a alta pressió, el procés d'ebullició es produeix a una temperatura alta. La temperatura és directament proporcional a la pressió. Com més alta sigui la temperatura del vapor, més gran serà la pressió de vapor. Aquest vapor d'alta temperatura o alta pressió es mou a través de la vàlvula d'entrada i s'expandeix contra el pistó. A mesura que s'expandeix, el vapor empeny el pistó, fent que es mogui cap a la dreta.

Part de la calor del vapor es converteix en energia cinètica. Quan el pistó es mou cap a la dreta, la roda connectada al pistó gira (1). Després de mitja volta, la roda empeny el pistó de tornada a la seva posició original (2). Quan el pistó es mou cap a l'esquerra, la vàlvula d'entrada es tanca automàticament, mentre que la vàlvula d'escapament s'obre automàticament. El vapor es condensa mitjançant el condensador, convertint-se en rosada. A continuació, l'aigua del condensador es bomba de nou al recipient per tornar-la a bullir. I així successivament... Com que el procés es produeix repetidament, el pistó es mou cap a la dreta i cap a l'esquerra contínuament. Com que el pistó es mou cap a la dreta i cap a l'esquerra contínuament, la roda també gira contínuament. La rotació de la roda normalment s'utilitza per moure alguna cosa.

Turbina de vapor

El principi de funcionament d'una turbina de vapor és essencialment el mateix que el d'una màquina de vapor alternativa. La diferència és que una màquina de vapor alternativa utilitza un pistó, mentre que una turbina de vapor utilitza una turbina. En una màquina de vapor alternativa, la calor es converteix primer en energia cinètica de translació del pistó. Després, l'energia cinètica de translació del pistó es converteix en energia cinètica de rotació de la roda giratòria. En una turbina de vapor, la calor es converteix directament en energia cinètica de rotació de la turbina. La turbina pot girar a causa d'una diferència de pressió. La temperatura del vapor per sobre de la pala és molt més alta que la temperatura del vapor per sota de la pala. La pala és una placa fina situada al centre de la turbina. La temperatura és directament proporcional a la pressió. Com que la temperatura del vapor per sobre de la pala és més alta que la temperatura del vapor per sota de la pala, la pressió del vapor per sobre de la pala és més gran que la pressió per sota de la pala. Aquesta diferència de pressió fa que el vapor empenyi la pala cap avall, fent que la turbina giri. La direcció de la rotació de la turbina es mostra a la figura.

És important tenir en compte que el principi de funcionament d'una màquina de vapor es basa en el diagrama de transferència d'energia explicat anteriorment. En aquest cas, l'energia mecànica es pot generar permetent que la calor flueixi des d'un objecte o lloc amb una temperatura alta fins a un objecte o lloc amb una temperatura baixa. Per tant, una diferència de temperatura és essencial en una màquina de vapor.

Si presteu atenció a com funciona una màquina de vapor alternativa, notareu que el pistó encara es pot moure a l'esquerra i a la dreta tot i que no hi ha diferència de temperatura (no hi ha condensador ni bomba). El pistó es pot moure a la dreta a causa de l'expansió del vapor a alta temperatura o alta pressió. En aquest cas, part de la calor del vapor es converteix en energia cinètica de translació del pistó. Aquesta energia cinètica de translació del pistó es converteix aleshores en energia cinètica de rotació de la roda giratòria. Després de completar mitja volta, la roda empeny el pistó cap a l'esquerra. Quan la roda empeny el pistó cap a l'esquerra, l'energia cinètica de rotació de la roda es converteix de nou en energia cinètica de translació del pistó. A mesura que el pistó es mou cap a l'esquerra, expulsa el vapor del cilindre. Al mateix temps, s'obre la vàlvula d'escapament.

Així, el vapor empès pel pistó empenyrà el seu amic sota la vàlvula d'escapament. Ara, si la temperatura del vapor sota la vàlvula d'escapament és igual a la temperatura del vapor empès pel pistó, aleshores tota l'energia cinètica de translació del pistó es convertirà de nou en energia interna del vapor. L'energia interna és directament proporcional a la temperatura. Si l'energia interna del vapor augmenta, la temperatura del vapor augmenta. La temperatura és directament proporcional a la pressió. Si la temperatura del vapor augmenta, la pressió del vapor també augmenta. Així, la pressió del vapor alliberat a través de la vàlvula d'escapament és igual a la pressió del vapor que entra per la vàlvula d'entrada. El pistó continuarà movent-se a dreta i esquerra contínuament, però no hi haurà energia cinètica total que es pugui utilitzar (no es produirà treball total). Per tant, l'energia cinètica rebuda pel pistó durant el procés d'expansió (el pistó es mou cap a la dreta) es retornarà al vapor durant el procés de compressió (el pistó es mou cap a l'esquerra).

Es conclou que encara és necessària una diferència de temperatura en una màquina de vapor. Aquesta diferència de temperatura en una màquina de vapor es pot aconseguir mitjançant un condensador. Quan la temperatura i la pressió del vapor sota la vàlvula d'escapament són molt més baixes que la temperatura i la pressió del vapor al cilindre, quan el pistó es mou cap a l'esquerra, la quantitat de pressió que el pistó exerceix sobre el vapor és molt menor que la quantitat de pressió que el vapor exerceix sobre el pistó quan el pistó es mou cap a la dreta. En altres paraules, la quantitat de treball que el pistó fa sobre el vapor és molt menor que la quantitat de treball que el vapor fa sobre el pistó. Per tant, només una petita part de l'energia cinètica del pistó es retorna al vapor. Per tant, hi haurà energia cinètica total o treball total produït. Aquesta energia cinètica total s'utilitza per moure alguna cosa.

Motor de combustió interna

Els motors de motocicleta i cotxe són exemples de motors de combustió interna. S'anomenen motors de combustió interna perquè el procés de combustió es produeix dins d'un cilindre tancat. Els motors de combustió interna són el resultat de l'enginyeria del concepte de compressió i expansió adiabàtiques, explicat a la primera llei de la termodinàmica.

Només considerarem els motors de combustió interna que utilitzen gasolina i gasoil com a combustible. La gasolina i el gasoil són productes derivats del petroli i, per tant, posseeixen energia potencial química. L'energia potencial química de la gasolina i el gasoil es converteix primer en calor mitjançant el procés de combustió. La calor produïda a través de la combustió es converteix després en energia mecànica. Aquesta energia mecànica és el que permet que una motocicleta o un cotxe es mogui. El cicle d'un motor de gasolina s'anomena cicle Otto, mentre que el cicle d'un motor dièsel s'anomena cicle dièsel. Un cicle és un procés termodinàmic reversible. Primer parlem del cicle Otto.

Cicle d'Otto

Aquest és un diagrama d'un motor de combustió interna de quatre temps. Una barreja d'aire i vapor de gasolina flueix des del carburador cap al cilindre a mesura que el pistó es mou cap avall (la carrera d'admissió). La barreja d'aire i vapor de gasolina al cilindre es comprimeix adiabàticament a mesura que el pistó es mou cap amunt (la carrera de compressió). Com que es comprimeix adiabàticament, la temperatura i la pressió de la barreja augmenten. Simultàniament, la bugia encén la barreja, encenent-la. A mesura que es crema, la temperatura i la pressió del gas augmenten. El gas d'alta temperatura i alta pressió s'expandeix contra el pistó, empenyent-lo cap avall (la carrera d'expansió). El gas cremat s'allibera a través de la vàlvula d'escapament i es dirigeix ​​cap al tub d'escapament (la carrera d'escapament). La vàlvula d'admissió s'obre de nou i es repeteixen els quatre temps.

És important tenir en compte que la finalitat de la fase de compressió adiabàtica és augmentar la temperatura i la pressió de la mescla de vapor d'aire i gasolina. La combustió a alta pressió produeix temperatures i pressions molt elevades. En conseqüència, l'empenta (F = PA) generada durant el procés d'expansió és molt gran. Això fa que el motor d'una motocicleta o d'un cotxe sigui més potent. Fins i tot sense compressió, la mescla de vapor d'aire i gasolina es pot encendre quan la bugia produeix una espurna. Tanmateix, la temperatura i la pressió del gas cremat no són gaire altes, de manera que l'empenta resultant també és petita. Com a resultat, el motor esdevé menys potent.

El procés de transformació i transferència d'energia en un motor de combustió interna de quatre temps es pot explicar de la següent manera: durant la combustió, l'energia potencial química de la gasolina i l'energia de l'aire es converteixen en calor. Part de la calor es converteix en energia mecànica a la vareta del pistó i al cigonyal, mentre que una altra part s'allibera a través del tub d'escapament. La major part de l'energia mecànica de la vareta del pistó i del cigonyal es converteix en energia mecànica al vehicle (que mou el vehicle), mentre que una petita part es converteix en calor. La calor es genera per fricció.

El procés d'expansió i compressió adiabàtiques en el cicle Otto es pot il·lustrar amb el diagrama següent. Aquest diagrama mostra un model idealitzat dels processos termodinàmics que es produeixen en un motor de combustió interna de gasolina.

Una mescla d'aire i vapor de gasolina entra al cilindre (a). La mescla d'aire i vapor de gasolina es comprimeix adiabàticament (a-b). Observeu que el volum del cilindre disminueix. La mescla d'aire i vapor de gasolina s'escalfa a volum constant: la mescla es crema (b-c). El gas cremat experimenta una expansió adiabàtica (c-d). Refredament a volum constant: el gas cremat es descarrega al tub d'escapament i una nova mescla d'aire + vapor de gasolina entra al cilindre (d-a).

Una mescla d'aire i vapor de gasolina entra al cilindre (a). La mescla d'aire i vapor de gasolina es comprimeix adiabàticament (a-b). Observeu que el volum del cilindre disminueix. La mescla d'aire i vapor de gasolina s'escalfa a volum constant: la mescla es crema (b-c). El gas cremat experimenta una expansió adiabàtica (c-d). Refredament a volum constant: el gas cremat es descarrega al tub d'escapament i una nova mescla d'aire + vapor de gasolina entra al cilindre (d-a).

Cicle dièsel

El principi de funcionament d'un motor dièsel és similar al d'un motor de gasolina. La diferència rau en el pas inicial de compressió adiabàtica (compressió adiabàtica = compressió que es fa tan ràpidament que la calor no té temps de fluir cap a dins o cap a fora del sistema. El sistema en aquest cas és un cilindre). Mentre que en un motor de gasolina, el que es comprimeix és una barreja d'aire i vapor de gasolina, en un motor dièsel només es comprimeix l'aire. La compressió adiabàtica fa que la temperatura i la pressió de l'aire augmentin. A continuació, l'injector, també conegut com a injector, ruixa dièsel. Com que la temperatura i la pressió de l'aire ja són molt altes, quan el dièsel es ruixa al cilindre, el dièsel s'encén immediatament. No cal una bugia. Observeu el valor de pressió que es mostra al diagrama següent. Compareu -lo amb el valor de pressió que es mostra al diagrama del cicle Otto.

Aquest diagrama mostra un cicle dièsel ideal. Inicialment, l'aire es comprimeix adiabàticament (a-b), després s'escalfa a pressió constant: l'injector ruixa dièsel i es produeix la combustió (b-c), el gas cremat experimenta una expansió adiabàtica (c-d), es refreda a un volum constant: el gas cremat s'expulsa pel tub d'escapament i entra aire fresc al cilindre (d-a).

Basant-nos en l'explicació anterior, es pot concloure que cada motor tèrmic bàsicament té una substància de treball específica. La substància de treball per a una màquina de vapor és aigua, la substància de treball per a un motor de gasolina és aire i vapor de gasolina, i la substància de treball per a un motor dièsel és aire i dièsel. La substància de treball normalment absorbeix calor a alta temperatura (Q _H ), realitza treball (W) i després allibera la calor restant a una temperatura més baixa (Q _L ). Com que l'energia es conserva, aleshores Q _H = W + Q _L.

Eficiència del motor tèrmic

L'eficiència (e) d'un motor tèrmic és la relació entre el treball (W) realitzat pel motor i l'entrada de calor a alta temperatura (Q _H ). Matemàticament, es pot escriure així:

W és el benefici que rebem, mentre que QH _és el cost en què incorrem per comprar i cremar combustible. Com a humans que sempre volem obtenir el major benefici possible i la menor despesa possible, realment esperem que el benefici que obtenim (W) sigui proporcional al cost en què incorrem (QH). És això possible?

Basant-se en la conservació de l'energia, la calor d'entrada (Q _H ) ha de ser igual al treball (W) realitzat + la calor alliberada (Q _L ). Matemàticament:

Per expressar l'eficiència d'un motor tèrmic com a percentatge, simplement multipliqueu l'equació d'eficiència per 100%. Basant-vos en l'equació d'eficiència anterior, com més calor rebutgi (QL ₎ un motor tèrmic, menys eficient serà. Ens agradaria molt tenir la menor quantitat de calor rebutjada (QL ₎ possible. Tanmateix, l'aportació de calor (QH ₎ s'obté normalment cremant petroli, carbó, gas, etc. (combustibles que paguem).

Per tant, cada motor tèrmic està essencialment dissenyat per ser el més eficient possible. Tot i que desitgem el màxim benefici possible amb la menor despesa possible, la realitat és que les màquines de vapor solen tenir una eficiència d'aproximadament un 40%, mentre que els motors de combustió interna són d'aproximadament un 50%. Això significa que la meitat de la calor produïda per la crema de combustible es malgasta. Només la meitat es converteix en energia mecànica.

Exemple de pregunta 1:

Un motor tèrmic absorbeix 3000 Joules de calor (Q _H ), realitza un treball (W) i allibera 2500 Joules de calor (Q _L ). Quin és el rendiment del motor tèrmic?

Discussió

Exemple de pregunta 2:

Un motor tèrmic absorbeix 3000 Joules de calor (Q _H ), fa treball (W) i allibera 2000 Joules de calor (Q _L ). Quin és el rendiment del motor tèrmic?

Discussió

Exemple de pregunta 3:

Un motor tèrmic absorbeix 3000 Joules de calor (Q _H ), fa treball (W) i allibera 1500 Joules de calor (Q _L ). Quin és el rendiment del motor tèrmic?

Discussió