Άρθρο σχετικά με τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής
Όλες οι φυσικές διεργασίες συμβαίνουν μόνο προς μία κατεύθυνση, αλλά δεν μπορούν να συμβούν προς την αντίθετη κατεύθυνση, οι οποίες συνήθως αναφέρονται ως μη αναστρέψιμες διεργασίες. Αφού απελευθερωθεί από το στέλεχος του και πέσει ελεύθερα στο έδαφος, ένα μάνγκο δεν κινείται ποτέ ξανά προς τα πάνω. Ένα βιβλίο που σπρώχνουμε και μετά σταματάμε δεν κινείται ποτέ πίσω προς το μέρος μας. Αν αγγίξουμε ένα αντικείμενο υψηλής θερμοκρασίας (ζεστό αντικείμενο) με ένα αντικείμενο χαμηλής θερμοκρασίας (κρύο αντικείμενο), η θερμότητα ρέει φυσικά από το αντικείμενο υψηλής θερμοκρασίας στο αντικείμενο χαμηλής θερμοκρασίας. Δεν βλέπουμε ποτέ την αντίστροφη διαδικασία, όπου η θερμότητα μετακινείται φυσικά από ένα κρύο αντικείμενο σε ένα ζεστό αντικείμενο. Αν συνέβαινε αυτή η διαδικασία, τότε το κρύο αντικείμενο θα γινόταν πιο κρύο, ενώ το ζεστό αντικείμενο θα γινόταν πιο ζεστό. Αλλά στην πραγματικότητα, δεν είναι έτσι. Υπάρχουν πολλές μη αναστρέψιμες διεργασίες που φαίνονται διαφορετικές μεταξύ τους, αλλά όλες περιλαμβάνουν αλλαγές στη μορφή ενέργειας και τη μεταφορά ενέργειας από το ένα αντικείμενο στο άλλο.
Για παράδειγμα, υπάρχει ένας ισχυρός σεισμός που προκαλεί την κατάρρευση κτιρίων (τα κτίρια καταρρέουν λόγω της ενέργειας που μεταφέρεται από τα σεισμικά κύματα). Έχετε δει ποτέ κάθε μέρος του κτιρίου που κατέρρευσε να επανέρχεται και να στέκεται όρθιο όπως πριν; Ή, για παράδειγμα, ένα ποτήρι πέφτει στο πάτωμα και σπάει... Έχετε δει ποτέ τα θραύσματα γυαλιού που είναι σκορπισμένα στο πάτωμα να επανέρχονται και να σχηματίζουν ένα ποτήρι που είναι ολόκληρο όπως πριν; Δεν συνέβη ποτέ... υπάρχουν πολλά άλλα παραδείγματα.
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 :
Η θερμότητα μετακινείται μόνη της από ένα αντικείμενο υψηλής θερμοκρασίας σε ένα αντικείμενο χαμηλής θερμοκρασίας. Η θερμότητα δεν θα μετακινηθεί μόνη της από ένα αντικείμενο χαμηλής θερμοκρασίας σε ένα αντικείμενο υψηλής θερμοκρασίας (Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής – δήλωση Clausius).
Η πρόταση Clausius είναι μια ειδική πρόταση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Ονομάζεται ειδική πρόταση επειδή ισχύει μόνο για μία διαδικασία, δηλαδή τη μεταφορά θερμότητας. Επειδή αυτή η πρόταση δεν σχετίζεται με άλλες διαδικασίες, χρειαζόμαστε μια πιο γενική πρόταση. Η ανάπτυξη της γενικής πρότασης του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής βασίστηκε εν μέρει στη μελέτη των θερμικών μηχανών. Επομένως, θα συζητήσουμε πρώτα τις θερμικές μηχανές.
ΘΕΡΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΗ
Μεγάλο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιούμε προέρχεται από τη χημική δυναμική ενέργεια που περιέχεται στο πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και τον άνθρακα. Η χημική δυναμική ενέργεια που περιέχεται στο πετρέλαιο, το φυσικό αέριο ή τον άνθρακα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα. Το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο ή ο άνθρακας πρέπει πρώτα να καούν. Συνήθως, η καύση ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, φυσικό αέριο και άνθρακας) παράγει θερμότητα. Η θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας για το μαγείρεμα φαγητού και τη θέρμανση ενός δωματίου. Για να μετακινήσουμε κάτι (για παράδειγμα, για να μετακινήσουμε ένα όχημα), πρέπει να μετατρέψουμε τη θερμότητα σε κινητική ενέργεια ή μηχανική ενέργεια (μηχανική ενέργεια = δυναμική ενέργεια + κινητική ενέργεια). Η μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε θερμότητα είναι πολύ εύκολη δουλειά, αλλά η μετατροπή της θερμότητας σε μηχανική ενέργεια είναι δύσκολη. Δοκιμάστε να τρίψετε τις παλάμες σας μεταξύ τους... οι παλάμες σας είναι ζεστές, σωστά; Όταν τρίβουμε τις παλάμες μας μεταξύ τους (παράγουμε έργο), η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα. Η διαδικασία είναι πολύ εύκολη... Ακόμα και άπειρη θερμότητα μπορεί να παραχθεί με την παραγωγή έργου. Αλλά η αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή η χρήση θερμότητας για την παραγωγή έργου, είναι δύσκολη.
Μια συσκευή που χρησιμοποιούνταν για την αξιοποίηση της θερμότητας για την εκτέλεση έργου εφευρέθηκε μόλις το 1700. Η εν λόγω συσκευή ήταν η ατμομηχανή. Οι ατμομηχανές χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά για την άντληση νερού από τα ανθρακωρυχεία. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η πρώτη χρήση ατμομηχανών έγινε πριν οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι η θερμότητα είναι στην πραγματικότητα ενέργεια που μεταφέρεται λόγω διαφορών θερμοκρασίας (ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δεν είχε ακόμη διατυπωθεί).
Η χρήση ατμομηχανών εκείνη την εποχή πιθανότατα βασιζόταν στην καθημερινή εμπειρία που έδειχνε ότι ο ατμός μπορούσε να κινήσει πράγματα. Οι ατμομηχανές θεωρούνται θερμικές μηχανές (μια θερμική μηχανή είναι μια συσκευή που μετατρέπει τη θερμότητα σε μηχανική ενέργεια). Σήμερα, οι ατμομηχανές χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι σύγχρονες θερμικές μηχανές είναι κινητήρες εσωτερικής καύσης (κινητήρες αυτοκινήτων, κινητήρες μοτοσικλετών κ.λπ.).
Η βασική ιδέα πίσω από τη χρήση μιας θερμικής μηχανής είναι ότι η θερμότητα μπορεί να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια μόνο εάν της επιτραπεί να ρέει από μια περιοχή υψηλής θερμοκρασίας σε μια περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ένα μέρος της θερμότητας μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια (ένα μέρος της θερμότητας χρησιμοποιείται για την παραγωγή έργου), ενώ ένα μέρος της θερμότητας απορρίπτεται στην περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας. Η διαδικασία μετατροπής και μεταφοράς ενέργειας σε μια θερμική μηχανή φαίνεται στο διάγραμμα.
Υψηλή θερμοκρασία (TH) και χαμηλή θερμοκρασία (TL) ονομάζεται επίσης θερμοκρασία λειτουργίας του κινητήρα. Η θερμότητα που ρέει από ένα μέρος με υψηλή θερμοκρασία συμβολίζεται με Q.H, ενώ η θερμότητα που απελευθερώνεται σε ένα μέρος με χαμηλή θερμοκρασία συμβολίζεται με QL. Όταν ρέει από ένα μέρος με υψηλή θερμοκρασία σε ένα μέρος με χαμηλή θερμοκρασία, κάποια QH μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια (χρησιμοποιείται για την παραγωγή έργου), ένα μέρος της οποίας απελευθερώνεται ως QLΣτην πραγματικότητα, ελπίζουμε πραγματικά ότι όλες οι QH μπορεί να μετατραπεί σε W, αλλά η καθημερινή εμπειρία δείχνει ότι αυτό είναι αδύνατο. Υπάρχει πάντα κάποια απώλεια θερμότητας. Έτσι, με βάση την αρχή διατήρησης της ενέργειας, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το QH = W + QL.
Ας εξετάσουμε τώρα μια θερμική μηχανή που χρησιμοποιείται συνήθως για τη μετατροπή της θερμότητας σε μηχανική ενέργεια. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι εξετάζουμε μόνο θερμικές μηχανές που εκτελούν συνεχές έργο. Για να εκτελείται συνεχώς έργο, η θερμότητα πρέπει να ρέει συνεχώς από μια περιοχή υψηλής θερμοκρασίας σε μια περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας. Εάν η θερμότητα ρέει μόνο μία φορά, το έργο που εκτελείται από τη θερμική μηχανή θα εκτελείται επίσης μόνο μία φορά (η μηχανική ενέργεια που παράγεται θα είναι πολύ μικρή). Επομένως, η θερμική μηχανή δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί βέλτιστα. Μια θερμική μηχανή μπορεί να χρησιμοποιηθεί βέλτιστα εάν εκτελεί έργο συνεχώς. Με άλλα λόγια, η μηχανική ενέργεια που παράγεται από τη θερμική μηχανή είναι επαρκής για να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση κάποιου αντικειμένου.
Ατμομηχανή
Οι ατμομηχανές χρησιμοποιούν υδρατμούς ως μέσο μεταφοράς θερμότητας. Ο ατμός αναφέρεται ως η λειτουργική ουσία μιας ατμομηχανής. Υπάρχουν δύο τύποι ατμομηχανών: οι παλινδρομικές ατμομηχανές και οι ατμομηχανές με στροβιλοκινητήρες (ατμοστρόβιλοι). Ο σχεδιασμός τους διαφέρει ελαφρώς, αλλά και οι δύο τύποι έχουν ομοιότητες: χρησιμοποιούν ατμό που θερμαίνεται με καύση πετρελαίου, φυσικού αερίου, άνθρακα ή πυρηνικής ενέργειας.
Ατμομηχανή παλινδρομικού τύπου
Το νερό σε ένα δοχείο συνήθως θερμαίνεται σε υψηλή πίεση. Επειδή θερμαίνεται σε υψηλή πίεση, η διαδικασία βρασμού λαμβάνει χώρα σε υψηλή θερμοκρασία. Η θερμοκρασία είναι άμεσα ανάλογη με την πίεση. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του ατμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση ατμών. Αυτός ο ατμός υψηλής θερμοκρασίας ή υψηλής πίεσης κινείται μέσω της βαλβίδας εισόδου και διαστέλλεται έναντι του εμβόλου. Καθώς διαστέλλεται, ο ατμός ωθεί το έμβολο, προκαλώντας την κίνησή του προς τα δεξιά.
Μέρος της θερμότητας στον ατμό μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Όταν το έμβολο κινείται προς τα δεξιά, ο τροχός που συνδέεται με το έμβολο περιστρέφεται (1). Μετά από μισή περιστροφή, ο τροχός ωθεί το έμβολο πίσω στην αρχική του θέση (2). Όταν το έμβολο κινείται προς τα αριστερά, η βαλβίδα εισόδου κλείνει αυτόματα, ενώ η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει αυτόματα. Ο ατμός συμπυκνώνεται από τον συμπυκνωτή, μετατρέποντας σε δροσιά. Στη συνέχεια, το νερό στον συμπυκνωτή αντλείται πίσω στο δοχείο για να βράσει ξανά. Και ούτω καθεξής... Επειδή η διαδικασία επαναλαμβάνεται επανειλημμένα, το έμβολο κινείται προς τα δεξιά και προς τα αριστερά συνεχώς. Επειδή το έμβολο κινείται προς τα δεξιά και προς τα αριστερά συνεχώς, ο τροχός περιστρέφεται επίσης συνεχώς. Η περιστροφή του τροχού χρησιμοποιείται συνήθως για να μετακινήσει κάτι.
Ατμοστρόβιλος
Η αρχή λειτουργίας ενός ατμοστροβίλου είναι ουσιαστικά η ίδια με αυτή μιας παλινδρομικής ατμομηχανής. Η διαφορά είναι ότι μια παλινδρομική ατμομηχανή χρησιμοποιεί ένα έμβολο, ενώ ένας ατμοστρόβιλος χρησιμοποιεί έναν στρόβιλο. Σε μια παλινδρομική ατμομηχανή, η θερμότητα μετατρέπεται πρώτα σε μεταφορική κινητική ενέργεια του εμβόλου. Στη συνέχεια, η μεταφορική κινητική ενέργεια του εμβόλου μετατρέπεται σε περιστροφική κινητική ενέργεια του περιστρεφόμενου τροχού. Σε έναν ατμοστρόβιλο, η θερμότητα μετατρέπεται απευθείας σε περιστροφική κινητική ενέργεια του στροβίλου. Ο στρόβιλος μπορεί να περιστραφεί λόγω διαφοράς πίεσης. Η θερμοκρασία του ατμού πάνω από τη λεπίδα είναι πολύ υψηλότερη από τη θερμοκρασία του ατμού κάτω από τη λεπίδα. Η λεπίδα είναι μια λεπτή πλάκα που βρίσκεται στο κέντρο του στροβίλου. Η θερμοκρασία είναι άμεσα ανάλογη με την πίεση. Επειδή η θερμοκρασία του ατμού πάνω από τη λεπίδα είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία του ατμού κάτω από τη λεπίδα, η πίεση του ατμού πάνω από τη λεπίδα είναι μεγαλύτερη από την πίεση κάτω από τη λεπίδα. Αυτή η διαφορά πίεσης προκαλεί τον ατμό να ωθήσει τη λεπίδα προς τα κάτω, προκαλώντας την περιστροφή του στροβίλου. Η κατεύθυνση περιστροφής του στροβίλου φαίνεται στο σχήμα.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η αρχή λειτουργίας μιας ατμομηχανής βασίζεται στο διάγραμμα μεταφοράς ενέργειας που εξηγήθηκε παραπάνω. Σε αυτήν την περίπτωση, η μηχανική ενέργεια μπορεί να παραχθεί επιτρέποντας στη θερμότητα να ρέει από ένα αντικείμενο ή τοποθεσία με υψηλή θερμοκρασία σε ένα αντικείμενο ή τοποθεσία με χαμηλή θερμοκρασία. Επομένως, η διαφορά θερμοκρασίας είναι απαραίτητη σε μια ατμομηχανή.
Αν προσέξετε πώς λειτουργεί μια παλινδρομική ατμομηχανή, θα παρατηρήσετε ότι το έμβολο μπορεί να κινείται αριστερά και δεξιά, παρόλο που δεν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας (δεν υπάρχει συμπυκνωτής ή αντλία). Το έμβολο μπορεί να κινηθεί δεξιά λόγω της διαστολής ατμού υψηλής θερμοκρασίας ή υψηλής πίεσης. Σε αυτήν την περίπτωση, μέρος της θερμότητας στον ατμό μετατρέπεται σε μεταφορική κινητική ενέργεια του εμβόλου. Αυτή η μεταφορική κινητική ενέργεια του εμβόλου μετατρέπεται στη συνέχεια σε περιστροφική κινητική ενέργεια του περιστρεφόμενου τροχού. Αφού ολοκληρώσει μισή περιστροφή, ο τροχός ωθεί το έμβολο πίσω προς τα αριστερά. Όταν ο τροχός ωθεί το έμβολο πίσω προς τα αριστερά, η περιστροφική κινητική ενέργεια του τροχού μετατρέπεται ξανά σε μεταφορική κινητική ενέργεια του εμβόλου. Καθώς το έμβολο κινείται προς τα αριστερά, ωθεί προς τα έξω τον ατμό στον κύλινδρο. Ταυτόχρονα, ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής.
Έτσι, ο ατμός που ωθείται από το έμβολο θα ωθήσει τον φίλο του κάτω από τη βαλβίδα εξαγωγής. Τώρα, εάν η θερμοκρασία του ατμού κάτω από τη βαλβίδα εξαγωγής ισούται με τη θερμοκρασία του ατμού που ωθείται από το έμβολο, τότε όλη η κινητική ενέργεια του εμβόλου θα μετατραπεί πίσω στην εσωτερική ενέργεια του ατμού. Η εσωτερική ενέργεια είναι άμεσα ανάλογη με τη θερμοκρασία. Εάν η εσωτερική ενέργεια του ατμού αυξηθεί, η θερμοκρασία του ατμού αυξάνεται. Η θερμοκρασία είναι άμεσα ανάλογη με την πίεση. Εάν η θερμοκρασία του ατμού αυξηθεί, η πίεση του ατμού αυξάνεται επίσης. Έτσι, η πίεση του ατμού που απελευθερώνεται μέσω της βαλβίδας εξαγωγής ισούται με την πίεση του ατμού που εισέρχεται μέσω της βαλβίδας εισόδου. Το έμβολο θα συνεχίσει να κινείται δεξιά και αριστερά συνεχώς, αλλά δεν θα υπάρχει συνολική κινητική ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί (δεν θα παράγεται συνολικό έργο). Έτσι, η κινητική ενέργεια που λαμβάνεται από το έμβολο κατά τη διαδικασία εκτόνωσης (το έμβολο κινείται προς τα δεξιά) θα επιστραφεί στον ατμό κατά τη διαδικασία συμπίεσης (το έμβολο κινείται προς τα αριστερά).
Συμπεραίνεται ότι η διαφορά θερμοκρασίας σε μια ατμομηχανή εξακολουθεί να είναι απαραίτητη. Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας σε μια ατμομηχανή μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας έναν συμπυκνωτή. Όταν η θερμοκρασία και η πίεση του ατμού κάτω από τη βαλβίδα εξαγωγής είναι πολύ χαμηλότερες από τη θερμοκρασία και την πίεση του ατμού στον κύλινδρο, τότε όταν το έμβολο κινείται πίσω προς τα αριστερά, η ποσότητα πίεσης που ασκεί το έμβολο στον ατμό είναι πολύ μικρότερη από την ποσότητα πίεσης που ασκεί ο ατμός στο έμβολο όταν το έμβολο κινείται προς τα δεξιά. Με άλλα λόγια, η ποσότητα έργου που κάνει το έμβολο στον ατμό είναι πολύ μικρότερη από την ποσότητα έργου που κάνει ο ατμός στο έμβολο. Έτσι, μόνο ένα μικρό μέρος της κινητικής ενέργειας του εμβόλου επιστρέφεται στον ατμό. Έτσι, θα υπάρχει συνολική κινητική ενέργεια ή συνολικό έργο που παράγεται. Αυτή η συνολική κινητική ενέργεια χρησιμοποιείται για να κινηθεί κάτι.
Μηχανή εσωτερικής καύσεως
Οι κινητήρες μοτοσικλετών και αυτοκινήτων είναι παραδείγματα κινητήρων εσωτερικής καύσης. Ονομάζονται κινητήρες εσωτερικής καύσης επειδή η διαδικασία καύσης λαμβάνει χώρα μέσα σε έναν κλειστό κύλινδρο. Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης είναι το αποτέλεσμα της μηχανικής της έννοιας της αδιαβατικής συμπίεσης και διαστολής, που εξηγείται στον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής.
Θα εξετάσουμε μόνο κινητήρες εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιούν βενζίνη και ντίζελ ως καύσιμο. Η βενζίνη και το ντίζελ είναι προϊόντα πετρελαίου και επομένως διαθέτουν χημική δυναμική ενέργεια. Η χημική δυναμική ενέργεια στη βενζίνη και το ντίζελ μετατρέπεται πρώτα σε θερμότητα μέσω της διαδικασίας καύσης. Η θερμότητα που παράγεται μέσω της καύσης μετατρέπεται στη συνέχεια σε μηχανική ενέργεια. Αυτή η μηχανική ενέργεια είναι αυτή που επιτρέπει σε μια μοτοσικλέτα ή ένα αυτοκίνητο να κινείται. Ο κύκλος σε έναν βενζινοκινητήρα ονομάζεται κύκλος Otto, ενώ ο κύκλος σε έναν ντίζελ ονομάζεται κύκλος ντίζελ. Ένας κύκλος είναι μια αναστρέψιμη θερμοδυναμική διαδικασία. Ας συζητήσουμε πρώτα τον κύκλο Otto.
Κύκλος Όττο
Αυτό είναι ένα διάγραμμα ενός τετράχρονου κινητήρα εσωτερικής καύσης. Ένα μείγμα αέρα και ατμών βενζίνης ρέει από το καρμπυρατέρ στον κύλινδρο καθώς το έμβολο κινείται προς τα κάτω (η διαδρομή εισαγωγής). Το μείγμα αέρα και ατμών βενζίνης στον κύλινδρο στη συνέχεια συμπιέζεται αδιαβατικά καθώς το έμβολο κινείται προς τα πάνω (η διαδρομή συμπίεσης). Επειδή συμπιέζεται αδιαβατικά, η θερμοκρασία και η πίεση του μείγματος αυξάνονται. Ταυτόχρονα, το μπουζί αναφλέγει το μείγμα, αναφλέγοντάς το. Καθώς καίγεται, η θερμοκρασία και η πίεση του αερίου αυξάνονται. Το αέριο υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης διαστέλλεται έναντι του εμβόλου, ωθώντας το προς τα κάτω (η διαδρομή εκτόνωσης). Το καμένο αέριο απελευθερώνεται στη συνέχεια μέσω της βαλβίδας εξαγωγής και κατευθύνεται προς τον σωλήνα εξάτμισης (η διαδρομή εξαγωγής). Η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει ξανά και οι τέσσερις διαδρομές επαναλαμβάνονται.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο σκοπός της αδιαβατικής συμπίεσης είναι η αύξηση της θερμοκρασίας και της πίεσης του μείγματος ατμών αέρα-βενζίνης. Η καύση σε υψηλή πίεση παράγει πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. Κατά συνέπεια, η ώθηση (F = PA) που παράγεται κατά τη διαδικασία εκτόνωσης είναι πολύ μεγάλη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η μηχανή μιας μοτοσικλέτας ή αυτοκινήτου να γίνεται πιο ισχυρή. Ακόμα και χωρίς συμπίεση, το μείγμα ατμών αέρα-βενζίνης μπορεί να αναφλεγεί όταν το μπουζί παράγει σπινθήρα. Ωστόσο, η θερμοκρασία και η πίεση του καύσιμου αερίου δεν είναι πολύ υψηλές, επομένως η προκύπτουσα ώθηση είναι επίσης μικρή. Ως αποτέλεσμα, ο κινητήρας γίνεται λιγότερο ισχυρός.
Η διαδικασία μετατροπής και μεταφοράς ενέργειας σε έναν τετράχρονο κινητήρα εσωτερικής καύσης μπορεί να εξηγηθεί ως εξής: Κατά την καύση, η χημική δυναμική ενέργεια στη βενζίνη και η ενέργεια στον αέρα μετατρέπονται σε θερμότητα. Ένα μέρος της θερμότητας μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια στο έμβολο και στον στροφαλοφόρο άξονα, ενώ ένα μέρος απελευθερώνεται μέσω του σωλήνα εξάτμισης. Το μεγαλύτερο μέρος της μηχανικής ενέργειας στο έμβολο και στον στροφαλοφόρο άξονα μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια στο όχημα (κινώντας το όχημα), ενώ ένα μικρό μέρος μετατρέπεται σε θερμότητα. Η θερμότητα παράγεται από την τριβή.
Η αδιαβατική διαδικασία εκτόνωσης και συμπίεσης στον κύκλο Otto μπορεί να απεικονιστεί από το παρακάτω διάγραμμα. Αυτό το διάγραμμα δείχνει ένα ιδανικό μοντέλο των θερμοδυναμικών διεργασιών που συμβαίνουν σε μια βενζινοκίνητη μηχανή εσωτερικής καύσης.
Ένα μείγμα αέρα και ατμών βενζίνης εισέρχεται στον κύλινδρο (α). Το μείγμα αέρα και ατμών βενζίνης στη συνέχεια συμπιέζεται αδιαβατικά (α-β). Σημειώστε ότι ο όγκος του κυλίνδρου μειώνεται. Το μείγμα αέρα και ατμών βενζίνης θερμαίνεται σε σταθερό όγκο – το μείγμα καίγεται (β-γ). Το καμένο αέριο υφίσταται αδιαβατική διαστολή (γ-δ). Ψύξη σε σταθερό όγκο – το καμένο αέριο εκκενώνεται στον σωλήνα εξάτμισης και ένα νέο μείγμα αέρα + ατμών βενζίνης εισέρχεται στον κύλινδρο (δ-α).
Ένα μείγμα αέρα και ατμών βενζίνης εισέρχεται στον κύλινδρο (α). Το μείγμα αέρα και ατμών βενζίνης στη συνέχεια συμπιέζεται αδιαβατικά (α-β). Σημειώστε ότι ο όγκος του κυλίνδρου μειώνεται. Το μείγμα αέρα και ατμών βενζίνης θερμαίνεται σε σταθερό όγκο – το μείγμα καίγεται (β-γ). Το καμένο αέριο υφίσταται αδιαβατική διαστολή (γ-δ). Ψύξη σε σταθερό όγκο – το καμένο αέριο εκκενώνεται στον σωλήνα εξάτμισης και ένα νέο μείγμα αέρα + ατμών βενζίνης εισέρχεται στον κύλινδρο (δ-α).
Κύκλος Ντίζελ
Η αρχή λειτουργίας ενός πετρελαιοκινητήρα είναι παρόμοια με αυτή ενός βενζινοκινητήρα. Η διαφορά έγκειται στο αρχικό βήμα αδιαβατικής συμπίεσης (αδιαβατική συμπίεση = συμπίεση που γίνεται τόσο γρήγορα ώστε η θερμότητα να μην έχει χρόνο να ρέει μέσα ή έξω από το σύστημα. Το σύστημα σε αυτήν την περίπτωση είναι ένας κύλινδρος). Ενώ σε έναν βενζινοκινητήρα, αυτό που συμπιέζεται είναι ένα μείγμα αέρα και ατμών βενζίνης, σε έναν πετρελαιοκινητήρα συμπιέζεται μόνο ο αέρας. Η αδιαβατική συμπίεση προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας και της πίεσης του αέρα. Στη συνέχεια, ο εγχυτήρας, γνωστός και ως εγχυτήρας, ψεκάζει ντίζελ. Επειδή η θερμοκρασία και η πίεση του αέρα είναι ήδη πολύ υψηλές, όταν το ντίζελ ψεκάζεται στον κύλινδρο, το ντίζελ αναφλέγεται αμέσως. Δεν χρειάζεται μπουζί. Σημειώστε την τιμή πίεσης που φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. Συγκρίνετέ την με την τιμή πίεσης που φαίνεται στο διάγραμμα κύκλου Otto.
Αυτό το διάγραμμα δείχνει έναν ιδανικό κύκλο ντίζελ. Αρχικά, ο αέρας συμπιέζεται αδιαβατικά (a-b), στη συνέχεια θερμαίνεται σε σταθερή πίεση – ο εγχυτήρας ψεκάζει ντίζελ και λαμβάνει χώρα καύση (b-c), το καμένο αέριο υφίσταται αδιαβατική διαστολή (c-d), ψύχεται σε σταθερό όγκο – το καμένο αέριο αποβάλλεται μέσω του σωλήνα εξάτμισης και φρέσκος αέρας εισέρχεται στον κύλινδρο (d-a).
Με βάση την παραπάνω εξήγηση, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι κάθε θερμική μηχανή έχει βασικά μια συγκεκριμένη λειτουργική ουσία. Η λειτουργική ουσία για μια ατμομηχανή είναι το νερό, η λειτουργική ουσία για μια βενζινοκινητήρα είναι ο αέρας και οι ατμοί βενζίνης, ενώ η λειτουργική ουσία για μια πετρελαιοκινητήρα είναι ο αέρας και το ντίζελ. Η λειτουργική ουσία συνήθως απορροφά θερμότητα σε υψηλή θερμοκρασία (Q2H4 ) , παράγει έργο (W) και στη συνέχεια απελευθερώνει την υπόλοιπη θερμότητα σε χαμηλότερη θερμοκρασία (Q2L ) . Επειδή η ενέργεια διατηρείται, τότε Q2H = W + Q2L.
Απόδοση Θερμικής Μηχανής
Η απόδοση (e) μιας θερμικής μηχανής είναι ο λόγος μεταξύ του έργου (W) που παράγεται από τη μηχανή και της θερμότητας που εισέρχεται σε υψηλή θερμοκρασία (QH ) . Μαθηματικά, μπορεί να γραφτεί ως εξής:
Το W είναι το κέρδος που λαμβάνουμε, ενώ το QH είναι το κόστος που επιβαρύνουμε για την αγορά και την καύση καυσίμων. Ως άνθρωποι που θέλουμε πάντα να επιτύχουμε το μεγαλύτερο δυνατό κέρδος και τη μικρότερη δυνατή δαπάνη, ελπίζουμε πραγματικά ότι το κέρδος που επιτυγχάνουμε (W) είναι ανάλογο με το κόστος που επιβαρύνουμε (QH). Είναι αυτό δυνατό;
Με βάση την αρχή διατήρησης της ενέργειας, η θερμότητα εισόδου (QH ) πρέπει να είναι ίση με το έργο (W) που παράγεται + τη θερμότητα που εκλύεται (QL ) . Μαθηματικά:
Για να εκφράσουμε την απόδοση μιας θερμικής μηχανής ως ποσοστό, απλώς πολλαπλασιάστε την εξίσωση απόδοσης επί 100%. Με βάση την παραπάνω εξίσωση απόδοσης, όσο περισσότερη θερμότητα αποβάλλεται (QL ) από μια θερμική μηχανή, τόσο λιγότερο αποδοτική είναι. Θα θέλαμε πολύ να έχουμε όσο το δυνατόν λιγότερη θερμότητα που αποβάλλεται (QL ) . Ωστόσο, η εισερχόμενη θερμότητα (QH ) συνήθως επιτυγχάνεται με την καύση πετρελαίου, άνθρακα, φυσικού αερίου κ.λπ. (καυσίμων που πληρώνουμε).
Επομένως, κάθε θερμική μηχανή έχει ουσιαστικά σχεδιαστεί για να είναι όσο το δυνατόν πιο αποδοτική. Αν και επιθυμούμε το μεγαλύτερο δυνατό όφελος από τη μικρότερη δυνατή δαπάνη, η πραγματικότητα είναι ότι οι ατμομηχανές έχουν συνήθως απόδοση περίπου 40%, ενώ οι μηχανές εσωτερικής καύσης είναι περίπου 50%. Αυτό σημαίνει ότι η μισή από τη θερμότητα που παράγεται από την καύση καυσίμου σπαταλιέται. Μόνο η μισή μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια.
Παράδειγμα ερώτησης 1:
Μια θερμική μηχανή απορροφά 3000 Joule θερμότητας (QH ) , εκτελεί έργο (W) και απελευθερώνει 2500 Joule θερμότητας (QL ) . Ποια είναι η απόδοση της θερμικής μηχανής;
Συζήτηση
Παράδειγμα ερώτησης 2:
Μια θερμική μηχανή απορροφά 3000 Joule θερμότητας (Q₂H₂ ) , παράγει έργο (W) και απελευθερώνει 2000 Joule θερμότητας (Q₂L ) . Ποια είναι η απόδοση της θερμικής μηχανής;
Συζήτηση
Παράδειγμα ερώτησης 3:
Μια θερμική μηχανή απορροφά 3000 Joule θερμότητας (Q₂H₂ ) , παράγει έργο (W) και απελευθερώνει 1500 Joule θερμότητας (Q₂L ) . Ποια είναι η απόδοση της θερμικής μηχανής;
Συζήτηση
