Για να εξηγήσουν τις μη αναστρέψιμες θερμοδυναμικές διεργασίες, οι επιστήμονες διατύπωσαν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής εξηγεί ποιες διεργασίες μπορούν να συμβούν στο σύμπαν και ποιες δεν μπορούν να συμβούν. Ένας επιστήμονας ονόματι RJE Clausius (1822-1888) έκανε την ακόλουθη δήλωση:
Φυσικά, η θερμότητα μετακινείται από αντικείμενα υψηλής θερμοκρασίας σε αντικείμενα χαμηλής θερμοκρασίας. Φυσικά, η θερμότητα δεν μετακινείται από αντικείμενα χαμηλής θερμοκρασίας σε αντικείμενα υψηλής θερμοκρασίας (Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής—δήλωση του Κλαύσιου).
Η πρόταση του Clausius είναι μία από τις ειδικές προτάσεις του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Ονομάζεται ειδική πρόταση επειδή ισχύει μόνο για μία μόνο διαδικασία, η οποία σχετίζεται με τη μεταφορά θερμότητας. Δεδομένου ότι αυτή η πρόταση δεν σχετίζεται με άλλες διαδικασίες, χρειαζόμαστε μια πιο γενική πρόταση. Η ανάπτυξη μιας γενικής πρότασης του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής βασίζεται στη μελέτη των θερμικών μηχανών. Επομένως, συζητάμε πρώτα τη θερμότητα των μηχανών.
Θερμική μηχανή
Μεγάλο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιούμε προέρχεται από τη χημική δυναμική ενέργεια που περιέχεται στο πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, τον άνθρακα. Η χημική δυναμική ενέργεια που εφαρμόζεται για να χρησιμοποιηθεί άμεσα πρέπει πρώτα να καεί. Συνήθως, η καύση ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, φυσικό αέριο και άνθρακας) παράγει θερμότητα. Η θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας για το μαγείρεμα φαγητού, τη θέρμανση δωματίου. Για να μετακινήσουμε κάτι (όπως η κίνηση ενός οχήματος), πρέπει να μετατρέψουμε τη θερμότητα σε κινητική ενέργεια ή μηχανική ενέργεια (μηχανική ενέργεια = δυναμική ενέργεια + κινητική ενέργεια).
Ένα εργαλείο που χρησιμοποιεί θερμότητα για να παράγει έργο ανακαλύφθηκε το 1700. Ήταν μια ατμομηχανή. Η ατμομηχανή χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για την άντληση νερού από ένα ανθρακωρυχείο.
Η χρήση των ατμομηχανών οφείλεται στο ότι ο ατμός μπορεί να κινήσει πράγματα. Οι ατμομηχανές περιλαμβάνουν μια θερμική μηχανή (μια θερμική μηχανή είναι ένα εργαλείο για τη μετατροπή της θερμότητας σε μηχανική ενέργεια). Τώρα, η ατμομηχανή χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι σύγχρονες θερμικές μηχανές είναι κινητήρες εσωτερικής καύσης όπως κινητήρες αυτοκινήτων, κινητήρες μοτοσικλετών κ.λπ.
Η βασική ιδέα πίσω από τη χρήση των θερμικών μηχανών είναι ότι η θέρμανση μπορεί να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια εάν αφεθεί η θερμότητα να ρέει από υψηλές θερμοκρασίες σε χαμηλές θερμοκρασίες. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ένα μέρος της θερμότητας μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια (ένα μέρος της θερμότητας χρησιμοποιείται για την εκτέλεση του έργου), ένα μέρος της θερμότητας εκκενώνεται σε χώρους χαμηλής θερμοκρασίας. Η διαδικασία αλλαγής του σχήματος της ενέργειας και της μεταφοράς ενέργειας στη θερμική μηχανή μοιάζει με αυτό το διάγραμμα.
Υψηλή θερμοκρασία (TH) και χαμηλή θερμοκρασία (TL) ονομάζονται θερμοκρασία λειτουργίας της μηχανής. QH είναι η θερμότητα που προέρχεται από την υψηλή θερμοκρασία, ενώ το QL είναι η θερμότητα που ρέει προς τον τόπο χαμηλής θερμοκρασίας. Όταν ρέει από υψηλές θερμοκρασίες σε χαμηλές θερμοκρασίες, ένα μέρος της θερμότητας μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια (χρησιμοποιείται για την παραγωγή έργου), ένα μέρος της θερμότητας διατίθεται ως QLΌλη η θερμότητα δεν μπορεί να μετατραπεί σε έργο (W), υπάρχει πάντα θερμότητα που απελευθερώνεται (QL). Έτσι, με βάση την αρχή διατήρησης της ενέργειας, το QH = W + QL.
Υπάρχουν αρκετές θερμικές μηχανές, συμπεριλαμβανομένων των ατμομηχανών και των μηχανών εσωτερικής καύσης.
Ατμομηχανή
Οι ατμομηχανές χρησιμοποιούν υδρατμούς ως μέσο μεταφοράς θερμότητας. Ο ατμός είναι εργαζόμενο ρευστό. Υπάρχουν δύο τύποι ατμομηχανών: οι εναλλασσόμενες ατμομηχανές και οι ατμομηχανές με στροβιλοκινητήρες. Ο σχεδιασμός αυτών των μηχανών είναι διαφορετικός, αλλά αυτοί οι δύο τύποι ατμομηχανών χρησιμοποιούν ατμό που θερμαίνεται με καύση πετρελαίου, φυσικού αερίου, άνθρακα ή με χρήση πυρηνικής ενέργειας.
ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ
Οι κινητήρες μοτοσικλετών και αυτοκινήτων είναι παραδείγματα κινητήρων εσωτερικής καύσης. Ονομάζονται κινητήρες εσωτερικής καύσης επειδή η διαδικασία καύσης λαμβάνει χώρα μέσα σε κλειστούς κυλίνδρους. Η παρουσία ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι αποτέλεσμα της μηχανικής έννοιας της αδιαβατικής συμπίεσης και εκτόνωσης.
Απόδοση θερμικής μηχανής
Η απόδοση της θερμικής μηχανής (e) είναι μια σύγκριση μεταξύ του έργου (W) που εκτελείται από τη μηχανή με μια θερμική είσοδο σε υψηλή θερμοκρασία (QH).
Το W είναι το κέρδος που λαμβάνεται, ενώ το QH είναι το κόστος που προκύπτει για την αγορά και την καύση καυσίμων. Ως άνθρωποι που θέλουν πάντα να αποκομίσουν το μέγιστο κέρδος και τη μικρότερη δαπάνη, ελπίζουμε ότι το αυξημένο κέρδος (W) είναι ανάλογο με το κόστος που ξοδεύουμε (QH). Θα μπορούσε να συμβεί;
Με βάση την αρχή διατήρησης της ενέργειας, η θερμότητα (QH) πρέπει να είναι ίσο με το έργο (W) + την αποβαλλόμενη θερμότητα (QL).
Αντικαταστήστε το W στην εξίσωση 1 με το W στην εξίσωση 2
Αυτή είναι η εξίσωση της απόδοσης μιας θερμικής μηχανής.
Ερώτηση 1:
Μια θερμική μηχανή απορροφά 3000 Joules (QH) θερμότητα, παράγει έργο (W) και αφαιρεί 2500 Joules (QL) θερμότητα. Υπολογίστε τη θερμική απόδοση του κινητήρα.
Λύση
Απόδοση θερμικής μηχανής = 17%.
Ερώτηση 2:
Μια θερμική μηχανή απορροφά θερμότητα 3000 Joule (QH), λειτουργεί (W) και αφαιρεί θερμότητα 2000 Joule (QLΥπολογίστε την απόδοση της θερμικής μηχανής.
Λύση
Απόδοση θερμικής μηχανής = 34%.
Ερώτηση 3:
Μια θερμική μηχανή απορροφά θερμότητα 3000 Joule (QH), κάνει έργο (W) και αποδίδει έως και 1500 Joule θερμότητας (QL). Υπολογίστε την απόδοση μιας θερμικής μηχανής;
Λύση
Απόδοση θερμικής μηχανής = 50%.
