Termodynamikkens anden lov

Artikel om termodynamikkens anden lov

Alle naturligt forekommende processer forekommer kun i én retning, men kan ikke forekomme i den modsatte retning, normalt kaldet irreversible processer. Efter at være blevet frigjort fra stilken og frit fald Når en mango falder til jorden, bevæger den sig aldrig tilbage. En bog, som vi skubber og derefter stopper, bevæger sig aldrig tilbage mod os. Hvis vi rører en genstand med høj temperatur (en varm genstand) med en genstand med lav temperatur (en kold genstand), strømmer varme naturligt fra genstanden med høj temperatur til genstanden med lav temperatur. Vi ser aldrig den omvendte proces, hvor varme naturligt bevæger sig fra en kold genstand til en varm genstand. Hvis denne proces fandt sted, ville den kolde genstand blive koldere, mens den varme genstand ville blive varmere. Men i virkeligheden er dette ikke tilfældet. Der er mange irreversible processer, der synes forskellige fra hinanden, men de involverer alle ændringer i form af energi og overførsel af energi fra et objekt til et andet.

For eksempel er der et kraftigt jordskælv, der får bygninger til at kollapse (bygninger kollapser på grund af energien båret af jordskælvsbølger). Har du nogensinde set hver del af den kollapsede bygning komme sammen igen og stå oprejst som før? Eller for eksempel et glas falder ned på gulvet og går i stykker... Har du nogensinde set glasfragmenterne spredt på gulvet komme sammen igen og danne et glas, der er helt som før? Det er aldrig sket... der er mange andre eksempler.

For at forklare termodynamiske processer, der kun forekommer i én retning (irreversible processer), formulerede forskere termodynamikkens anden lov. Termodynamikkens anden lov forklarer, hvilke processer der kan forekomme i universet, og hvilke der ikke kan. En videnskabsmand ved navn RJE Clausius (1822-1888) fremsatte følgende udtalelse:

Varme bevæger sig af sig selv fra et objekt med høj temperatur til et objekt med lav temperatur; varme vil ikke bevæge sig af sig selv fra et objekt med lav temperatur til et objekt med høj temperatur (termodynamikkens anden lov - Clausius' erklæring).

Clausius-udsagnet er et særligt udsagn om termodynamikkens anden lov. Det kaldes et særligt udsagn, fordi det kun gælder for én proces, nemlig varmeoverføring. Da dette udsagn ikke vedrører andre processer, har vi brug for et mere generelt udsagn. Udviklingen af ​​det generelle udsagn om termodynamikkens anden lov var delvist baseret på studiet af varmemaskiner. Derfor vil vi diskutere varmemaskiner først.

VARMEMOTOR

Meget af den energi, vi bruger, kommer fra den kemiske potentielle energi, der findes i olie, gas og kul. Den kemiske potentielle energi, der findes i olie, gas eller kul, kan ikke bruges direkte. Olie, gas eller kul skal først forbrændes. Typisk producerer afbrænding af fossile brændstoffer (olie, gas og kul) varme. Varme kan bruges direkte til at lave mad og opvarme et rum. For at bevæge noget (for eksempel at flytte et køretøj) skal vi omdanne varme til kinetisk energi eller mekanisk energi (mekanisk energi = potentiel energi + kinetisk energi). At omdanne mekanisk energi til varme er et meget nemt job, men at omdanne varme til mekanisk energi er vanskeligt. Prøv at gnide dine håndflader mod hinanden ... dine håndflader er varme, ikke? Når vi gnider vores håndflader mod hinanden (vi udfører arbejde), omdannes mekanisk energi til varme. Processen er meget nem ... Selv uendelig varme kan produceres ved at udføre arbejde. Men den omvendte proces, nemlig at bruge varme til at udføre arbejde, er vanskelig.

En anordning, der blev brugt til at udnytte varme til at udføre arbejde, blev først opfundet i 1700. Den pågældende anordning var dampmaskinen. Dampmaskiner blev først brugt til at pumpe vand ud af kulminer. Det er vigtigt at bemærke, at den første brug af dampmaskiner fandt sted, før forskerne vidste, at varme faktisk er energi, der overføres på grund af temperaturforskelle (termodynamikkens første lov var endnu ikke formuleret).

Brugen af ​​dampmaskiner på det tidspunkt var sandsynligvis baseret på hverdagserfaringer, der viste, at damp kunne bevæge ting. Dampmaskiner betragtes som varmemaskiner (en varmemaskine = en enhed til at omdanne varme til mekanisk energi). I dag bruges dampmaskiner til at generere elektrisk energi. Moderne varmemaskiner er forbrændingsmotorer (bilmotorer, motorcykelmotorer osv.).

Grundideen bag brugen af ​​en varmemotor er, at varme kun kan omdannes til mekanisk energi, hvis den får lov til at strømme fra et område med høj temperatur til et område med lav temperatur. Under denne proces omdannes noget af varmen til mekanisk energi (noget af varmen bruges til at udføre arbejde), mens noget af varmen afgives til området med lav temperatur. Processen med energiomdannelse og energioverførsel i en varmemotor er vist i diagrammet.

Høj temperatur (T_H) og lav temperatur (T_L) kaldes også motorens driftstemperatur. Varme, der strømmer fra et sted med høj temperatur, gives symbolet Q_H, mens varmen, der frigives til et sted med lav temperatur, får symbolet Q_L. Når man strømmer fra et sted med høj temperatur til et sted med lav temperatur, vil noget Q_H omdannes til mekanisk energi (bruges til at udføre arbejde), noget af den frigives som Q_LVi håber faktisk virkelig, at alle Q_H kan omdannes til W, men hverdagens erfaring viser, at dette er umuligt. Der går altid noget varme tabt. Baseret på energibevarelse kan det derfor konkluderes, at Q_H = W + Q_L.

Lad os nu gennemgå en varmemotor, der almindeligvis bruges til at omdanne varme til mekanisk energi. Det er vigtigt at bemærke, at vi kun betragter varmemotorer, der udfører kontinuerligt arbejde. For at arbejde kan udføres kontinuerligt, skal varme strømme kontinuerligt fra et område med høj temperatur til et område med lav temperatur. Hvis varme kun strømmer én gang, vil det arbejde, der udføres af varmemotoren, også kun blive udført én gang (den producerede mekaniske energi vil være meget lille). Derfor kan varmemotoren ikke udnyttes optimalt. En varmemotor kan udnyttes optimalt, hvis den udfører arbejde kontinuerligt. Med andre ord er den mekaniske energi, der produceres af varmemotoren, tilstrækkelig til at blive brugt til at bevæge noget.

Dampmaskine

Dampmaskiner bruger vanddamp som varmeoverføringsmedium. Damp kaldes det arbejdsstof i en dampmaskine. Der findes to typer dampmaskiner: stempeldampmaskiner og turbinedampmaskiner (dampturbiner). Deres design adskiller sig en smule, men begge typer har ligheder: de bruger damp opvarmet ved afbrænding af olie, gas, kul eller atomenergi.

Stempelmotor af damptypen

Vand i en beholder opvarmes normalt ved højt tryk. Fordi det opvarmes ved højt tryk, sker kogeprocessen ved en høj temperatur. Temperaturen er direkte proportional med trykket. Jo højere dampens temperatur er, desto større er damptrykket. Denne højtemperatur- eller højtryksdamp bevæger sig gennem indløbsventilen og udvider sig mod stemplet. Når den udvider sig, skubber dampen stemplet, hvilket får det til at bevæge sig til højre.

Noget af varmen i dampen omdannes til kinetisk energi. Når stemplet bevæger sig til højre, roterer hjulet, der er forbundet med stemplet (1). Efter en halv omdrejning skubber hjulet stemplet tilbage til sin oprindelige position (2). Når stemplet bevæger sig til venstre, lukker indløbsventilen automatisk, mens udstødningsventilen åbner automatisk. Dampen kondenseres af kondensatoren og bliver til dug. Derefter pumpes vandet i kondensatoren tilbage i beholderen for at koge igen. Og så videre… Fordi processen sker gentagne gange, bevæger stemplet sig kontinuerligt til højre og til venstre. Fordi stemplet bevæger sig kontinuerligt til højre og til venstre, roterer hjulet også kontinuerligt. Hjulets rotation bruges normalt til at bevæge noget.

Dampturbine

Funktionsprincippet for en dampturbine er stort set det samme som for en stempeldampmaskine. Forskellen er, at en stempeldampmaskine bruger et stempel, mens en dampturbine bruger en turbine. I en stempeldampmaskine omdannes varme først til stemplets translationelle kinetiske energi. Derefter omdannes stemplets translationelle kinetiske energi til rotationskinetisk energi i det roterende hjul. I en dampturbine omdannes varme direkte til turbinens rotationskinetiske energi. Turbinen kan rotere på grund af en trykforskel. Temperaturen af ​​dampen over bladet er meget højere end temperaturen af ​​dampen under bladet. Bladet er en tynd plade placeret i midten af ​​turbinen. Temperaturen er direkte proportional med trykket. Fordi temperaturen af ​​dampen over bladet er højere end temperaturen af ​​dampen under bladet, er damptrykket over bladet større end trykket under bladet. Denne trykforskel får dampen til at presse bladet nedad, hvilket får turbinen til at rotere. Turbinens rotationsretning er vist i figuren.

Det er vigtigt at bemærke, at en dampmaskines funktionsprincip er baseret på det ovenfor forklarede energioverførselsdiagram. I dette tilfælde kan mekanisk energi genereres ved at lade varme strømme fra et objekt eller sted med høj temperatur til et objekt eller sted med lav temperatur. Derfor er en temperaturforskel afgørende i en dampmaskine.

Hvis du er opmærksom på, hvordan en stempelmotor med stempelmotor fungerer, vil du bemærke, at stemplet stadig kan bevæge sig til venstre og højre, selvom der ikke er nogen temperaturforskel (ingen kondensator eller pumpe). Stemplet kan bevæge sig til højre på grund af udvidelsen af ​​højtemperatur- eller højtryksdamp. I dette tilfælde omdannes noget af varmen i dampen til stemplets translationelle kinetiske energi. Denne translationelle kinetiske energi fra stemplet omdannes derefter til rotationskinetisk energi fra det roterende hjul. Efter at have fuldført en halv omdrejning skubber hjulet stemplet tilbage til venstre. Når hjulet skubber stemplet tilbage til venstre, omdannes hjulets rotationskinetiske energi igen til stemplets translationelle kinetiske energi. Når stemplet bevæger sig til venstre, skubber det dampen ud i cylinderen. Samtidig åbner udstødningsventilen.

Dampen, der stemplet skubber, vil således skubbe sin ven under udstødningsventilen. Hvis temperaturen af ​​dampen under udstødningsventilen er lig med temperaturen af ​​den damp, der stemplet skubber, vil al stemplets translationelle kinetiske energi blive omdannet tilbage til dampens indre energi. Den indre energi er direkte proportional med temperaturen. Hvis dampens indre energi stiger, stiger dampens temperatur. Temperaturen er direkte proportional med trykket. Hvis dampens temperatur stiger, stiger dampens tryk også. Trykket af den damp, der frigives gennem udstødningsventilen, er således lig med trykket af den damp, der kommer ind gennem indløbsventilen. Stemplet vil fortsætte med at bevæge sig kontinuerligt til højre og venstre, men der vil ikke være nogen samlet kinetisk energi, der kan udnyttes (intet samlet produceret arbejde). Så den kinetiske energi, der modtages af stemplet under ekspansionsprocessen (stemplet bevæger sig til højre), vil blive returneret til dampen under kompressionsprocessen (stemplet bevæger sig til venstre).

Det konkluderes, at en temperaturforskel i en dampmaskine stadig er nødvendig. Denne temperaturforskel i en dampmaskine kan opnås ved at bruge en kondensator. Når temperaturen og trykket af dampen under udstødningsventilen er meget lavere end temperaturen og trykket af dampen i cylinderen, og når stemplet bevæger sig tilbage til venstre, er mængden af ​​tryk, som stemplet udøver på dampen, meget mindre end mængden af ​​tryk, dampen udøver på stemplet, når det bevæger sig til højre. Med andre ord er mængden af ​​arbejde, stemplet udfører på dampen, meget mindre end mængden af ​​arbejde, dampen udfører på stemplet. Så kun en lille del af stemplets kinetiske energi returneres til dampen. Dermed vil der være total kinetisk energi eller totalt arbejde produceret. Denne samlede kinetiske energi bruges til at bevæge noget.

Forbrændingsmotor

Motorcykel- og bilmotorer er eksempler på forbrændingsmotorer. De kaldes forbrændingsmotorer, fordi forbrændingsprocessen foregår inde i en lukket cylinder. Forbrændingsmotorer er resultatet af ingeniørarbejde, der bruger konceptet adiabatisk kompression og ekspansion, som forklaret i det foregående emne. termodynamikkens første lov.

Vi vil kun betragte forbrændingsmotorer, der bruger benzin og diesel som brændstof. Benzin og diesel er olieprodukter og besidder derfor kemisk potentiel energi. Den kemiske potentielle energi i benzin og diesel omdannes først til varme gennem forbrændingsprocessen. Varmen, der produceres ved forbrænding, omdannes derefter til mekanisk energi. Denne mekaniske energi er det, der gør det muligt for en motorcykel eller bil at bevæge sig. Cyklussen i en benzinmotor kaldes Otto-cyklussen, mens cyklussen i en dieselmotor kaldes dieselcyklussen. En cyklus er en reversibel termodynamisk proces. Lad os først diskutere Otto-cyklussen.

Otto-cyklus

Dette er et diagram over en firetakts forbrændingsmotor. En blanding af luft og benzindamp strømmer fra karburatoren ind i cylinderen, når stemplet bevæger sig nedad (indsugningsslaget). Blandingen af ​​luft og benzindamp i cylinderen komprimeres derefter adiabatisk, når stemplet bevæger sig opad (kompressionsslaget). Fordi den komprimeres adiabatisk, stiger temperaturen og trykket i blandingen. Samtidig antænder tændrøret blandingen og antænder den. Når den brænder, stiger temperaturen og trykket i gassen. Den høje temperatur og høje trykgas udvider sig mod stemplet og skubber det nedad (ekspansionsslaget). Den forbrændte gas frigives derefter gennem udstødningsventilen og ledes mod udstødningsrøret (udstødningsslaget). Indsugningsventilen åbner igen, og de fire slag gentages.

Det er vigtigt at bemærke, at formålet med det adiabatiske kompressionsslag er at øge temperaturen og trykket i luft-benzindampblandingen. Forbrænding ved højt tryk producerer meget høje temperaturer og tryk. Følgelig er den trykkraft (F = PA), der genereres under ekspansionsprocessen, meget stor. Dette resulterer i, at en motorcykel- eller bilmotor bliver mere kraftfuld. Selv uden kompression kan luft-benzindampblandingen antændes, når tændrøret producerer en gnist. Temperaturen og trykket i den forbrændte gas er dog ikke særlig høje, så den resulterende trykkraft er også lille. Som følge heraf bliver motoren mindre kraftfuld.

Processen med energiomdannelse og energioverførsel i en firetakts forbrændingsmotor kan forklares som følger: Under forbrænding omdannes den kemiske potentielle energi i benzin og energien i luften til varme. Noget af varmen omdannes til mekanisk energi i stempelstangen og krumtapakslen, mens noget frigives gennem udstødningsrøret. Det meste af den mekaniske energi i stempelstangen og krumtapakslen omdannes til mekanisk energi i køretøjet (køretøjets bevægelse), mens en lille del omdannes til varme. Varme genereres ved friktion.

Den adiabatiske ekspansions- og kompressionsproces i Otto-cyklussen kan illustreres ved hjælp af diagrammet nedenfor. Dette diagram viser en idealiseret model af de termodynamiske processer, der forekommer i en benzindrevet forbrændingsmotor.

En blanding af luft og benzindamp kommer ind i cylinderen (a). Blandingen af ​​luft og benzindamp komprimeres derefter adiabatisk (a-b). Bemærk, at cylindervolumenet falder. Blandingen af ​​luft og benzindamp opvarmes ved konstant volumen – blandingen forbrændes (b-c). Den forbrændte gas undergår adiabatisk ekspansion (c-d). Afkøling ved konstant volumen – den forbrændte gas udledes til udstødningsrøret, og en ny blanding af luft + benzindamp kommer ind i cylinderen (d-a).

En blanding af luft og benzindamp kommer ind i cylinderen (a). Blandingen af ​​luft og benzindamp komprimeres derefter adiabatisk (a-b). Bemærk, at cylindervolumenet falder. Blandingen af ​​luft og benzindamp opvarmes ved konstant volumen – blandingen forbrændes (b-c). Den forbrændte gas undergår adiabatisk ekspansion (c-d). Afkøling ved konstant volumen – den forbrændte gas udledes til udstødningsrøret, og en ny blanding af luft + benzindamp kommer ind i cylinderen (d-a).

Dieselcyklus

Funktionsprincippet for en dieselmotor ligner en benzinmotors. Forskellen ligger i det indledende adiabatiske kompressionstrin (adiabatisk kompression = kompression, der udføres så hurtigt, at varme ikke har tid til at strømme ind i eller ud af systemet. Systemet er i dette tilfælde en cylinder). Mens det i en benzinmotor komprimeres en blanding af luft og benzindamp, komprimeres det i en dieselmotor kun luften. Adiabatisk kompression får luftens temperatur og tryk til at stige. Derefter sprøjter injektoren, også kendt som injektoren, diesel. Fordi luftens temperatur og tryk allerede er meget høje, antændes dieselen straks, når dieselen sprøjtes ind i cylinderen. Der er ikke behov for tændrør. Bemærk trykværdien vist i diagrammet nedenfor. Bsammenlign med størrelsen af ​​det tryk, der er vist i Otto-cyklusdiagrammet.

Dette diagram viser en ideel dieselcyklus. Luften komprimeres først adiabatisk (a-b), derefter opvarmes den ved konstant tryk – injektoren sprøjter diesel ud, og forbrænding finder sted (b-c), den forbrændte gas undergår adiabatisk ekspansion (c-d), afkøles ved konstant volumen – den forbrændte gas udstødes gennem udstødningsrøret, og frisk luft kommer ind i cylinderen (d-a).

Baseret på ovenstående forklaring kan det konkluderes, at hver varmemotor i det væsentlige har et specifikt arbejdsstof. Arbejdsstoffet for en dampmotor er vand, arbejdsstoffet for en benzinmotor er luft og benzindamp, og arbejdsstoffet for en dieselmotor er luft og dieselbrændstof. Arbejdsstoffet absorberer normalt varme ved en høj temperatur (Q_H), udføre arbejde (W), og derefter frigive den resterende varme ved en lavere temperatur (Q_L). Fordi energi er bevaret, så er Q_H = W + Q_L.

Effektiviteten af ​​​​varmemotoren

Virkningsgraden (e) af en varmemotor er forholdet mellem det arbejde (W), som motoren udfører, og den varmetilførsel, der opnås ved høj temperatur (Q)._HMatematisk kan det skrives således:

W er den fortjeneste, vi modtager, mens Q er den fortjeneste, vi modtager._H er de omkostninger, vi har ved at købe og forbrænde brændstof. Som mennesker, der altid ønsker at opnå den størst mulige fortjeneste og de mindst mulige udgifter, håber vi virkelig, at den fortjeneste, vi opnår (W), står i forhold til de omkostninger, vi har (QH). Er det muligt?

Baseret på energibevarelse er den tilførte varme (Q_H) skal være lig med det udførte arbejde (W) + den frigivne varme (Q)_LMatematisk set:

Hvis du vil udtrykke en varmemotors effektivitet i procent, skal du blot gange effektivitetsligningen med 100%. Baseret på ovenstående effektivitetsligning gælder det, at jo mere varme der afgives (Q_L) af en varmemotor, jo mindre effektiv er varmemotoren. Vi ønsker egentlig den mængde varme, der afgives (Q_L) så lidt som muligt. Imidlertid er varmetilførslen (Q_H) opnås normalt ved at afbrænde olie, kul, gas osv. (det brændstof, vi betaler for).

Derfor er enhver varmemotor i bund og grund designet til at være så effektiv som muligt. Selvom vi ønsker det størst mulige udbytte af de mindst mulige udgifter, er realiteten, at dampmaskiner typisk er omkring 40% effektive, mens forbrændingsmotorer er omkring 50%. Det betyder, at halvdelen af ​​den varme, der produceres ved afbrænding af brændstof, går til spilde. Kun halvdelen omdannes til mekanisk energi.

Eksempelspørgsmål 1:

En varmemotor absorberer 3000 joule varme (Q_H), udfører arbejde (W) og frigiver 2500 joule varme (Q_L). Hvad er virkningsgraden af ​​varmemotoren?

Diskussion

Eksempelspørgsmål 2:

En varmemotor absorberer 3000 joule varme (Q_H), udfører arbejde (W) og frigiver 2000 joule varme (Q_L). Hvad er virkningsgraden af ​​varmemotoren?

Diskussion

Eksempelspørgsmål 3:

En varmemotor absorberer 3000 joule varme (Q_H), udfører arbejde (W) og frigiver 1500 joule varme (Q_L). Hvad er virkningsgraden af ​​varmemotoren?

Diskussion