For at forklare de irreversible termodynamiske processer formulerede forskerne termodynamikkens anden lov. Termodynamikkens anden lov forklarer, hvilke processer der kan forekomme i universet, og hvilke processer der ikke kan forekomme. En videnskabsmand ved navn RJE Clausius (1822-1888) fremsatte følgende udtalelse:
Naturligvis bevæger varme sig fra objekter med høj temperatur til objekter med lav temperatur; naturligvis bevæger varme sig ikke fra objekter med lav temperatur til objekter med høj temperatur (termodynamikkens anden lov - Clausius' udsagn).
Clausius' udsagn er et af de specielle udsagn i termodynamikkens anden lov. Det kaldes et specielt udsagn, fordi det kun gælder for én proces, relateret til varmeoverføring. Da dette udsagn ikke er relateret til andre processer, har vi brug for et mere generelt udsagn. Udviklingen af et generelt udsagn i termodynamikkens anden lov er baseret på studiet af varmemaskiner. Derfor diskuterer vi motorvarme først.
Varmemotor
Meget af den energi, vi bruger, kommer fra kemisk potentiel energi i olie, gas og kul. Kemisk potentiel energi, der anvendes direkte, skal først forbrændes. Normalt producerer afbrænding af fossile brændstoffer (olie, gas og kul) varme. Varme kan bruges direkte til at tilberede mad og opvarme rum. For at bevæge noget (f.eks. at flytte et køretøj) skal vi omdanne varme til kinetisk energi eller mekanisk energi (mekanisk energi = potentiel energi + kinetisk energi).
Et værktøj, der bruger varme til at udføre arbejde, blev opdaget i 1700. Det var en dampmaskine. Dampmaskinen blev først brugt til at pumpe vand ud af en kulmine.
Brugen af dampmaskiner skyldes, at damp kan bevæge ting. Dampmaskiner omfatter en varmemotor (en varmemotor er et værktøj til at omdanne varme til mekanisk energi). Nu bruges dampmaskinen til at generere elektrisk energi. Moderne varmemotorer er forbrændingsmotorer såsom bilmotorer, motorcykelmotorer osv.
Grundideen bag brugen af varmemotorer er, at opvarmning kan omdannes til mekanisk energi, hvis varme får lov til at strømme fra høje temperaturer til lave temperaturer. Under denne proces omdannes noget varme til mekanisk energi (noget varme bruges til at udføre arbejdet), og noget varme afgives på steder med lav temperatur. Processen med at ændre formen på energi og energioverførsel i varmemotoren ser ud som dette diagram.
Høj temperatur (TH) og lav temperatur (TL) kaldes maskinens driftstemperatur. QH er varmen, der strømmer fra den høje temperatur, hvorimod QL er varme, der strømmer til et sted med lav temperatur. Når man bevæger sig fra høje temperaturer til lave temperaturer, omdannes noget varme til mekanisk energi (bruges til arbejde), og noget varme bortskaffes som QLAl varme kan ikke omdannes til arbejde (W), der er altid varme, der frigives (Q).L). Baseret på energibevarelse er Q såledesH = W + QL.
Der findes adskillige varmemotorer, herunder dampmaskiner og forbrændingsmotorer.
Damp maskine
Dampmaskiner bruger vanddamp som varmeoverføringsmedium. Damp er arbejdsfluid. Der findes to typer dampmaskiner: alternerende dampmaskiner og turbinedampmaskiner. Designet af denne motor er forskelligt, men disse to typer dampmaskiner bruger damp, der opvarmes ved afbrænding af olie, gas, kul eller ved hjælp af atomenergi.
Forbrændingsmotorer
Motorcykelmotorer og bilmotorer er eksempler på forbrændingsmotorer. De kaldes forbrændingsmotorer, fordi forbrændingsprocessen foregår inde i lukkede cylindre. Tilstedeværelsen af en forbrændingsmotor er et resultat af det tekniske koncept for adiabatisk kompression og ekspansion.
Varmemotorens effektivitet
Varmemotorens virkningsgrad (e) er en sammenligning mellem arbejde (W) udført af maskinen med en varmetilførsel ved høj temperatur (Q H ).
W er den opnåede gevinst, mens QH er omkostningerne ved at købe og forbrænde brændstof. Som mennesker, der altid ønsker at opnå den maksimale profit og de mindste udgifter, håber vi, at profitstigningen (W) er proportional med de omkostninger, vi bruger (QH ) . Kunne det ske?
Baseret på energibevarelse skal varme (QH ) være lig med arbejde (W) + afgivet varme (QL ).
Erstat W i ligning 1 med W i ligning 2
Dette er ligningen for varmemotorens effektivitet.
Spørgsmål 1:
En varmemotor absorberer 3000 joule (Q₂H ) varme, udfører arbejde (W) og fjerner 2500 joule (Q₂L ) varme. Beregn motorens varmevirkningsgrad.
Løsning
Varmemotorens virkningsgrad = 17%.
Spørgsmål 2:
En varmemotor absorberer 3000 joule varme (QH ) , udfører arbejde (W) og fjerner 2000 joule varme (QL ) . Beregn varmemotorens virkningsgrad.
Løsning
Varmemotorens virkningsgrad = 34%.
Spørgsmål 3:
En varmemotor absorberer 3000 joule varme (QH ) , udfører arbejde (W) og afgiver så meget som 1500 joule varme (QL ) . Beregn virkningsgraden af en varmemotor?
Løsning
Varmemotorens virkningsgrad = 50%.
