Per explicar els processos termodinàmics irreversibles, els científics van formular la segona llei de la termodinàmica. La segona llei de la termodinàmica explica quins processos poden ocórrer a l'univers i quins no. Un científic anomenat RJE Clausius (1822-1888) va fer la següent afirmació:
Naturalment, la calor es mou dels objectes d'alta temperatura als objectes de baixa temperatura; naturalment, la calor no procedeix dels objectes de baixa temperatura als objectes d'alta temperatura (segona llei de la termodinàmica: enunciat de Clausius).
L'enunciat de Clausius és un dels enunciats especials de la segona llei de la termodinàmica. S'anomena enunciat especial perquè només s'aplica a un sol procés, relacionat amb la transferència de calor. Com que aquest enunciat no està relacionat amb altres processos, necessitem un enunciat més general. El desenvolupament d'un enunciat general de la segona llei de la termodinàmica es basa en l'estudi dels motors tèrmics. Per tant, primer parlarem de la calor del motor.
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 aplicada per ser utilitzada directament s'ha de cremar primer. Normalment, la crema de combustibles fòssils (petroli, gas i carbó) produeix calor. La calor es pot utilitzar directament per cuinar aliments, escalfar habitacions. Per moure alguna cosa (com ara moure un vehicle), hem de convertir la calor en energia cinètica o energia mecànica (energia mecànica = energia potencial + energia cinètica).
L'any 1700 es va descobrir una eina que utilitzava la calor per fer treball. Era una màquina de vapor. La màquina de vapor es va utilitzar per primera vegada per bombar aigua d'una mina de carbó.
L'ús de les màquines de vapor és perquè el vapor pot moure coses. Les màquines de vapor inclouen un motor tèrmic (un motor tèrmic és una eina per convertir la calor en energia mecànica). Ara la màquina de vapor s'utilitza per generar energia elèctrica. Els motors tèrmics moderns són motors de combustió interna com ara motors de cotxe, motors de motocicleta, etc.
La idea bàsica darrere de l'ús dels motors tèrmics és que la calefacció es pot convertir en energia mecànica si es permet que la calor flueixi de temperatures altes a temperatures baixes. Durant aquest procés, una part de la calor es converteix en energia mecànica (una part de la calor s'utilitza per fer el treball), i una part de la calor es descarrega en llocs de baixa temperatura. El procés de canvi de forma de l'energia i la transferència d'energia en el motor tèrmic es veu com en aquest diagrama.
Alta temperatura (TH) i baixa temperatura (TL) s'anomenen temperatura de funcionament de la màquina. QH és la calor que flueix des de l'alta temperatura, mentre que QL és la calor que flueix cap al lloc de baixa temperatura. Quan flueix de temperatures altes a temperatures baixes, una part de la calor es converteix en energia mecànica (utilitzada per treballar), i una part de la calor s'elimina com a QLNo tota la calor es pot transformar en treball (W), sempre hi ha calor que s'allibera (Q).L). Així, basant-se en la conservació de l'energia, QH = W + QL.
Hi ha diversos motors tèrmics, com ara els motors de vapor i els motors de combustió interna.
Màquina de vapor
Les màquines de vapor utilitzen vapor d'aigua com a medi de transferència de calor. El vapor és un fluid de treball. Hi ha dos tipus de màquines de vapor: les màquines de vapor alternes i les màquines de vapor de turbina. El disseny d'aquest motor és diferent, però aquests dos tipus de màquines de vapor utilitzen vapor que s'escalfa cremant petroli, gas, carbó o utilitzant energia nuclear.
Motors de combustió interna
Els motors de motocicleta i els motors de cotxe són exemples de motors de combustió interna. S'anomenen motor de combustió interna perquè el procés de combustió es produeix dins de cilindres tancats. La presència d'un motor de combustió interna és el resultat del concepte d'enginyeria de compressió i expansió adiabàtiques.
Eficiència del motor tèrmic
L'eficiència del motor tèrmic (e) és una comparació entre el treball (W) realitzat per la màquina amb una entrada de calor a alta temperatura (QH).
W és el guany rebut, mentre que QH és el cost incorregut per comprar i cremar combustible. Com a éssers humans que sempre volem obtenir el màxim benefici i la menor despesa, esperem que l'augment de benefici (W) sigui proporcional al cost que gastem (QH). Podria passar?
Basat en la conservació de l'energia, la calor (QH) ha de ser igual al treball (W) + la calor descarregada (QL).
Substituïu W a l'equació 1 per W a l'equació 2
Aquesta és l'equació del rendiment d'un motor tèrmic.
Pregunta 1:
Un motor tèrmic absorbeix 3000 Joules (QH) calor, fa treball (W) i elimina 2500 Joules (QL) calor. Calcula l'eficiència tèrmica del motor.
Solució
Rendiment del motor tèrmic = 17%.
Pregunta 2:
Un motor tèrmic absorbeix 3000 Joules de calor (QH), fa treball (W) i elimina 2000 Joules de calor (QL). Calcula el rendiment del motor tèrmic.
Solució
Rendiment del motor tèrmic = 34%.
Pregunta 3:
Un motor tèrmic absorbeix 3000 Joules de calor (QH), fa un treball (W) i desprèn fins a 1500 Joules de calor (QL). Calcula el rendiment d'un motor tèrmic?
Solució
Rendiment del motor tèrmic = 50%.
