Artikolo pri la Dua Leĝo de Termodinamiko
Ĉiuj nature okazantaj procezoj okazas nur en unu direkto, sed ne povas okazi en la kontraŭa direkto, ofte nomataj neinversigeblaj procezoj. Post liberiĝo de sia tigo kaj libere falo sur la teron, mango neniam plu moviĝas supren. Libro, kiun ni puŝas kaj poste haltigas, neniam moviĝas reen al ni. Se ni tuŝas alttemperaturan objekton (varman objekton) per malalttemperatura objekto (malvarma objekto), varmo nature fluas de la alttemperatura objekto al la malalttemperatura objekto. Ni neniam vidas la inversan procezon, kie varmo nature moviĝas de malvarma objekto al varma objekto. Se ĉi tiu procezo okazus, tiam la malvarma objekto fariĝus pli malvarma, dum la varma objekto fariĝus pli varma. Sed en realeco, ne estas tiel. Ekzistas multaj neinversigeblaj procezoj, kiuj ŝajnas malsamaj unu de la alia, sed ili ĉiuj implikas ŝanĝojn en la formo de energio kaj la translokigon de energio de unu objekto al alia.
Ekzemple, okazas potenca tertremo, kiu kaŭzas la kolapson de konstruaĵoj (konstruaĵoj kolapsas pro la energio portata de tertremaj ondoj). Ĉu vi iam vidis ĉiun parton de la kolapsinta konstruaĵo rekuniĝi kaj stari rekte kiel antaŭe? Aŭ, ekzemple, vitro falas sur la plankon kaj rompiĝas... Ĉu vi iam vidis la vitrofragmentojn disĵetitajn sur la planko rekuniĝi kaj formi vitron, kiu estas tuta kiel antaŭe? Neniam okazis... ekzistas multaj aliaj ekzemploj.
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 :
Varmo moviĝas per si mem de alttemperatura objekto al malalttemperatura objekto; varmo ne moviĝos per si mem de malalttemperatura objekto al alttemperatura objekto (dua leĝo de termodinamiko - deklaro de Clausius).
La deklaro de Clausius estas speciala deklaro de la dua leĝo de termodinamiko. Ĝi nomiĝas speciala deklaro ĉar ĝi validas nur por unu procezo, nome varmotransigo. Ĉar ĉi tiu deklaro ne rilatas al aliaj procezoj, ni bezonas pli ĝeneralan deklaron. La disvolviĝo de la ĝenerala deklaro de la dua leĝo de termodinamiko parte baziĝis sur la studo de varmomotoroj. Tial, ni unue diskutos varmomotorojn.
TERMIKA MOTORO
Multo de la energio, kiun ni uzas, devenas de la kemia potenciala energio enhavita en nafto, gaso kaj karbo. La kemia potenciala energio enhavita en nafto, gaso aŭ karbo ne povas esti uzata rekte. Nafto, gaso aŭ karbo devas esti bruligitaj unue. Tipe, bruligi fosiliajn brulaĵojn (nafto, gaso kaj karbo) produktas varmon. Varmo povas esti uzata rekte por kuiri manĝaĵon kaj hejti ĉambron. Por movi ion (ekzemple, por movi veturilon), ni devas konverti varmon en kinetan energion aŭ mekanikan energion (mekanika energio = potenciala energio + kineta energio). Konverti mekanikan energion en varmon estas tre facila tasko, sed konverti varmon en mekanikan energion estas malfacila. Provu froti viajn manplatojn kune... viaj manplatoj estas varmaj, ĉu ne? Kiam ni frotas niajn manplatojn kune (ni faras laboron), mekanika energio estas konvertita en varmon. La procezo estas tre facila... Eĉ senfina varmo povas esti produktita per farado de laboro. Sed la inversa procezo, nome uzi varmon por fari laboron, estas malfacila.
Aparato uzata por utiligi varmon por plenumi laboron estis inventita nur en 1700. La koncerna aparato estis la vapormaŝino. Vapormaŝinoj unue estis uzataj por pumpi akvon el karbominejoj. Gravas noti, ke la unua uzo de vapormaŝinoj okazis antaŭ ol sciencistoj sciis, ke varmo estas fakte energio transdonita pro temperaturdiferencoj (la unua leĝo de termodinamiko ankoraŭ ne estis formulita).
La uzado de vapormaŝinoj tiutempe verŝajne baziĝis sur ĉiutaga sperto montranta, ke vaporo povas movi objektojn. Vapormaŝinoj estas konsiderataj varmomotoroj (varmomotoro = aparato por konverti varmon en mekanikan energion). Hodiaŭ, vapormaŝinoj estas uzataj por generi elektran energion. Modernaj varmomotoroj estas eksplodmotoroj (aŭtomotoroj, motorciklaj motoroj, ktp.).
La baza ideo malantaŭ la uzado de varmomotoro estas, ke varmo povas esti konvertita en mekanikan energion nur se ĝi estas permesita flui de alt-temperatura regiono al malalt-temperatura regiono. Dum ĉi tiu procezo, iom da varmo estas konvertita en mekanikan energion (iom da varmo estas uzata por fari laboron), dum iom da varmo estas forĵetita al la malalt-temperatura regiono. La procezo de energikonverto kaj energitransdono en varmomotoro estas montrita en la diagramo.
Alta temperaturo (TH) kaj malalta temperaturo (TL) estas ankaŭ nomata la funkcianta temperaturo de la motoro. Varmo fluanta el loko kun alta temperaturo ricevas la simbolon QH, dum la varmo, kiu liberiĝas al malalttemperatura loko, ricevas la simbolon QL. Kiam fluas de loko kun alta temperaturo al loko kun malalta temperaturo, iu QH konvertita en mekanikan energion (uzatan por fari laboron), iom da ĝi liberiĝas kiel QLFakte ni vere esperas, ke ĉiuj QH povas esti konvertita en W, sed ĉiutaga sperto montras, ke tio estas neebla. Ĉiam estas iom da varmoperdo. Tiel, surbaze de la konservo de energio, oni povas konkludi, ke QH = W + QL.
Nun ni reviziu varmomaŝinon ofte uzatan por konverti varmon en mekanikan energion. Gravas noti, ke ni nur konsideras varmomaŝinojn, kiuj plenumas kontinuan laboron. Por ke laboro estu plenumata kontinue, varmo devas flui kontinue de alt-temperatura regiono al malalt-temperatura regiono. Se varmo fluas nur unufoje, la laboro plenumata de la varmomaŝino ankaŭ estos farita nur unufoje (la produktita mekanika energio estos tre malgranda). Tial, la varmomaŝino ne povas esti uzata optimume. Varmomaŝino povas esti uzata optimume se ĝi plenumas laboron kontinue. Alivorte, la mekanika energio produktita de la varmomaŝino sufiĉas por esti uzata por movi ion.
Vapormaŝino
Vapormaŝinoj uzas akvan vaporon kiel varmotransigan medion. Vaporo estas nomata la funkcianta substanco de vapormaŝino. Ekzistas du tipoj de vapormaŝinoj: tien-kaj-reen-vapormaŝinoj kaj turbinaj vapormaŝinoj (vaporturbinoj). Iliaj dezajnoj iomete diferencas, sed ambaŭ tipoj havas similecojn: ili uzas vaporon varmigitan per bruligado de petrolo, gaso, karbo aŭ nuklea energio.
Reciproka tipo vapormaŝino
Akvo en ujo kutime varmiĝas je alta premo. Ĉar ĝi estas varmigita je alta premo, la bolprocezo okazas je alta temperaturo. Temperaturo estas rekte proporcia al premo. Ju pli alta la temperaturo de la vaporo, des pli granda la vaporpremo. Ĉi tiu alttemperatura aŭ altprema vaporo moviĝas tra la enira valvo kaj ekspansiiĝas kontraŭ la piŝton. Dum ĝi ekspansiiĝas, la vaporo puŝas la piŝton, igante ĝin moviĝi dekstren.
Iom da varmo en la vaporo konvertiĝas en kinetan energion. Kiam la piŝto moviĝas dekstren, la rado konektita al la piŝto rotacias (1). Post duona rotacio, la rado puŝas la piŝton reen al ĝia originala pozicio (2). Kiam la piŝto moviĝas maldekstren, la enira valvo aŭtomate fermiĝas, dum la ellasa valvo aŭtomate malfermiĝas. La vaporo estas kondensita de la kondensilo, transformiĝante en roson. Poste, la akvo en la kondensilo estas pumpita reen en la ujon por esti denove boligata. Kaj tiel plu... Ĉar la procezo okazas plurfoje, la piŝto moviĝas dekstren kaj maldekstren kontinue. Ĉar la piŝto moviĝas dekstren kaj maldekstren kontinue, la rado ankaŭ rotacias kontinue. La rotacio de la rado kutime uziĝas por movi ion.
Vaporturbino
La funkcia principo de vaporturbino estas esence la sama kiel tiu de tien-kaj-reen-mova vapormaŝino. La diferenco estas, ke tien-kaj-reen-mova vapormaŝino uzas piŝton, dum vaporturbino uzas turbinon. En tien-kaj-reen-mova vapormaŝino, varmo unue konvertiĝas en translacian kinetikan energion de la piŝto. Post tio, la translacia kinetika energio de la piŝto konvertiĝas en rotacian kinetikan energion de la rotacianta rado. En vaporturbino, varmo rekte konvertiĝas en rotacian kinetikan energion de la turbino. La turbino povas rotacii pro premdiferenco. La temperaturo de la vaporo super la klingo estas multe pli alta ol la temperaturo de la vaporo sub la klingo. La klingo estas maldika plato situanta en la centro de la turbino. La temperaturo estas rekte proporcia al premo. Ĉar la temperaturo de la vaporo super la klingo estas pli alta ol la temperaturo de la vaporo sub la klingo, la vaporpremo super la klingo estas pli granda ol la premo sub la klingo. Ĉi tiu premdiferenco igas la vaporon puŝi la klingon malsupren, kaŭzante la rotacion de la turbino. La direkto de la rotacio de la turbino estas montrita en la figuro.
Gravas rimarki, ke la funkcianta principo de vapormaŝino baziĝas sur la supre klarigita diagramo pri energi-transdono. En ĉi tiu kazo, mekanika energio povas esti generita per permesado al varmo flui de objekto aŭ loko kun alta temperaturo al objekto aŭ loko kun malalta temperaturo. Tial, temperaturdiferenco estas esenca en vapormaŝino.
Se vi atentas kiel tien-kaj-reen-mova vapormaŝino funkcias, vi rimarkos, ke la piŝto ankoraŭ povas moviĝi maldekstren kaj dekstren eĉ se ne estas temperaturdiferenco (neniu kondensilo aŭ pumpilo). La piŝto povas moviĝi dekstren pro la ekspansio de alttemperatura aŭ altprema vaporo. En ĉi tiu kazo, iom da varmo en la vaporo estas konvertita en translacian kinetikan energion de la piŝto. Ĉi tiu translacia kinetika energio de la piŝto tiam konvertiĝas en rotacian kinetikan energion de la rotacianta rado. Post kompletigo de duona rotacio, la rado puŝas la piŝton reen maldekstren. Kiam la rado puŝas la piŝton reen maldekstren, la rotacia kinetika energio de la rado estas denove konvertita en translacian kinetikan energion de la piŝto. Dum la piŝto moviĝas maldekstren, ĝi puŝas la vaporon en la cilindron. Samtempe, la ellasa valvo malfermiĝas.
Tiel, la vaporo puŝata de la piŝto puŝos sian amikon sub la ellasvalvon. Nun, se la temperaturo de la vaporo sub la ellasvalvo egalas la temperaturon de la vaporo puŝata de la piŝto, tiam la tuta translacia kineta energio de la piŝto estos konvertita reen en la internan energion de la vaporo. Interna energio estas rekte proporcia al temperaturo. Se la interna energio de la vaporo pliiĝas, la temperaturo de la vaporo pliiĝas. Temperaturo estas rekte proporcia al premo. Se la temperaturo de la vaporo pliiĝas, la premo de la vaporo ankaŭ pliiĝas. Tiel, la premo de la vaporo liberigita tra la ellasvalvo egalas la premon de la vaporo eniranta tra la enirvalvo. La piŝto daŭre moviĝos dekstren kaj maldekstren kontinue, sed ne estos totala kineta energio, kiu povas esti utiligita (neniu totala laboro produktita). Do la kineta energio ricevita de la piŝto dum la ekspansioprocezo (la piŝto moviĝas dekstren) estos redonita al la vaporo dum la kunpremoprocezo (la piŝto moviĝas maldekstren).
Oni konkludas, ke temperaturdiferenco en vapormaŝino ankoraŭ estas necesa. Ĉi tiu temperaturdiferenco en vapormaŝino povas esti atingita per uzado de kondensilo. Kiam la temperaturo kaj premo de la vaporo sub la ellasa valvo estas multe pli malaltaj ol la temperaturo kaj premo de la vaporo en la cilindro, tiam kiam la piŝto moviĝas reen maldekstren, la kvanto de premo, kiun la piŝto penas sur la vaporon, estas multe pli malgranda ol la kvanto de premo, kiun la vaporo penas sur la piŝton kiam la piŝto moviĝas dekstren. Alivorte, la kvanto de laboro, kiun la piŝto faras sur la vaporon, estas multe pli malgranda ol la kvanto de laboro, kiun la vaporo faras sur la piŝton. Do nur malgranda parto de la kineta energio de la piŝto estas resendita al la vaporo. Tiel, estos totala kineta energio aŭ totala laboro produktita. Ĉi tiu totala kineta energio estas uzata por movi ion.
Eksplodmotoro
Motorciklo- kaj aŭtomotoroj estas ekzemploj de eksplodmotoroj. Ili nomiĝas eksplodmotoroj ĉar la brulprocezo okazas ene de fermita cilindro. Eksplodmotoroj estas la rezulto de la inĝenierado de la koncepto de adiabata kunpremo kaj ekspansio, klarigita en la unua leĝo de termodinamiko.
Ni nur konsideros eksplodmotorojn, kiuj uzas benzinon kaj dizelon kiel fuelon. Benzino kaj dizelo estas naftoproduktoj, kaj tial posedas kemian potencialan energion. La kemia potenciala energio en benzino kaj dizelo unue konvertiĝas en varmon per la bruligprocezo. La varmo produktita per bruligado poste konvertiĝas en mekanikan energion. Ĉi tiu mekanika energio permesas al motorciklo aŭ aŭto moviĝi. La ciklo en benzina motoro nomiĝas la Otto-ciklo, dum la ciklo en dizelmotoro nomiĝas la dizela ciklo. Ciklo estas reigebla termodinamika procezo. Ni unue diskutu la Otto-ciklon.
Otto-ciklo
Jen diagramo de kvartakta eksplodmotoro. Miksaĵo de aero kaj benzina vaporo fluas el la karburilo en la cilindron dum la piŝto moviĝas malsupren (la ensuĉa bato). La miksaĵo de aero kaj benzina vaporo en la cilindro estas poste kunpremita adiabate dum la piŝto moviĝas supren (la kunprema bato). Ĉar ĝi estas kunpremita adiabate, la temperaturo kaj premo de la miksaĵo pliiĝas. Samtempe, la sparkilo ekbruligas la miksaĵon, ekbruligante ĝin. Dum ĝi brulas, la temperaturo kaj premo de la gaso pliiĝas. La alttemperatura, altprema gaso ekspansiiĝas kontraŭ la piŝton, puŝante ĝin malsupren (la ekspansia bato). La bruligita gaso estas poste liberigita tra la ellasa valvo kaj direktita al la ellasa tubo (la ellasa bato). La ensuĉa valvo denove malfermiĝas, kaj la kvar batoj estas ripetataj.
Gravas rimarki, ke la celo de la adiabata kunprema bato estas pliigi la temperaturon kaj premon de la aero-benzina vapora miksaĵo. Bruligado je alta premo produktas tre altajn temperaturojn kaj premojn. Sekve, la puŝo (F = PA) generita dum la ekspansioprocezo estas tre granda. Tio rezultas en plipotenca motoro de motorciklo aŭ aŭto. Eĉ sen kunpremado, la aero-benzina vapora miksaĵo povas ekbruli kiam la sparkilo produktas sparkon. Tamen, la temperaturo kaj premo de la bruligita gaso ne estas tre altaj, do la rezulta puŝo ankaŭ estas malgranda. Rezulte, la motoro fariĝas malpli potenca.
La procezo de energitransformo kaj energitransdono en kvartakta eksplodmotoro povas esti klarigita jene: Dum brulado, la kemia potenciala energio en benzino kaj la energio en la aero konvertiĝas en varmon. Iom da varmo konvertiĝas en mekanikan energion en la piŝtstango kaj krankoŝafto, dum iom liberiĝas tra la ellasa tubo. Plejparto de la mekanika energio en la piŝtstango kaj krankoŝafto konvertiĝas en mekanikan energion en la veturilo (movanta la veturilon), dum malgranda parto konvertiĝas en varmon. Varmo estas generita per frotado.
La adiabata ekspansio kaj kunpremo procezo en la Otto-ciklo povas esti ilustrita per la suba diagramo. Ĉi tiu diagramo montras idealigitan modelon de la termodinamikaj procezoj okazantaj en benzinmotoro.
Miksaĵo de aero kaj benzina vaporo eniras la cilindron (a). La miksaĵo de aero kaj benzina vaporo estas poste kunpremita adiabate (a-b). Notu, ke la cilindra volumeno malpliiĝas. La miksaĵo de aero kaj benzina vaporo estas varmigita je konstanta volumeno - la miksaĵo estas bruligita (b-c). La bruligita gaso spertas adiabatan ekspansion (c-d). Malvarmiĝo je konstanta volumeno - la bruligita gaso estas eligita al la ellasa tubo kaj nova miksaĵo de aero + benzina vaporo eniras la cilindron (d-a).
Miksaĵo de aero kaj benzina vaporo eniras la cilindron (a). La miksaĵo de aero kaj benzina vaporo estas poste kunpremita adiabate (a-b). Notu, ke la cilindra volumeno malpliiĝas. La miksaĵo de aero kaj benzina vaporo estas varmigita je konstanta volumeno - la miksaĵo estas bruligita (b-c). La bruligita gaso spertas adiabatan ekspansion (c-d). Malvarmiĝo je konstanta volumeno - la bruligita gaso estas eligita al la ellasa tubo kaj nova miksaĵo de aero + benzina vaporo eniras la cilindron (d-a).
Dizela Ciklo
La funkciprincipo de dizelmotoro similas al tiu de benzinmotoro. La diferenco kuŝas en la komenca adiabata kunprema paŝo (adiabata kunpremo = kunpremo, kiu okazas tiel rapide, ke varmo ne havas tempon flui en aŭ el la sistemo. La sistemo en ĉi tiu kazo estas cilindro). Dum en benzinmotoro, tio, kio estas kunpremita, estas miksaĵo de aero kaj benzina vaporo, en dizelmotoro nur la aero estas kunpremita. Adiabata kunpremo kaŭzas pliiĝon de la temperaturo kaj premo de la aero. Poste, la injektilo, ankaŭ konata kiel la injektilo, ŝprucas dizelon. Ĉar la temperaturo kaj premo de la aero jam estas tre altaj, kiam la dizelo estas ŝprucita en la cilindron, la dizelo tuj ekbrulas. Ne necesas sparkilo. Notu la premvaloron montritan en la diagramo sube. Komparu ĝin kun la premvaloro montrita en la diagramo de la Otto-ciklo.
Ĉi tiu diagramo montras idealan dizelan ciklon. Komence, aero estas kunpremita adiabate (a-b), poste varmigita je konstanta premo - la injektilo ŝprucas dizelon kaj okazas brulado (b-c), la bruligita gaso spertas adiabatan ekspansion (c-d), malvarmiĝas je konstanta volumeno - la bruligita gaso estas elpelita tra la ellasa tubo kaj freŝa aero eniras la cilindron (d-a).
Surbaze de la supra klarigo, oni povas konkludi, ke ĉiu varmomotoro baze havas specifan laborsubstancon. La laborsubstanco por vapormotoro estas akvo, la laborsubstanco por benzinmotoro estas aero kaj benzinvaporo, la laborsubstanco por dizelmotoro estas aero kaj dizelo. La laborsubstanco kutime absorbas varmon je alta temperaturo (Q H ), faras laboron (W), poste liberigas la restantan varmon je pli malalta temperaturo (Q L ). Ĉar energio estas konservata, tiam Q H = W + Q L.
Efikeco de Varmomotoro
La efikeco (e) de varmomotoro estas la proporcio inter la laboro (W) farita de la motoro kaj la varmo-enigo je alta temperaturo (Q H ). Matematike, ĝi povas esti skribita jene:
W estas la profito, kiun ni ricevas, dum QH estas la kosto, kiun ni faras por aĉeti kaj bruligi fuelon. Kiel homoj, kiuj ĉiam volas akiri la plej grandan eblan profiton kaj la plej malgrandan eblan elspezon, ni vere esperas, ke la profito, kiun ni ricevas (W), estas proporcia al la kosto, kiun ni faras (QH). Ĉu tio eblas?
Surbaze de la principo de konservo de energio, la enigita varmo (Q H ) devas egali al la farita laboro (W) + la liberigita varmo (Q L ). Matematike:
Por esprimi la efikecon de varmomotoro kiel procenton, simple multipliku la efikecan ekvacion per 100%. Surbaze de la supre menciita efikeca ekvacio, ju pli da varmo forĵetita (QL ) de varmomotoro, des malpli efika ĝi estas. Ni tre ŝatus havi kiel eble plej malmulte da varmo forĵetita (QL ) . Tamen, la varmonenigo (QH ) kutime akiriĝas per bruligado de oleo, karbo, gaso, ktp. (brulaĵoj, por kiuj ni pagas).
Tial, ĉiu varmomotoro estas esence desegnita por esti kiel eble plej efika. Kvankam ni deziras la plej grandan eblan profiton de la plej malgranda ebla elspezo, la realo estas, ke vapormotoroj estas tipe ĉirkaŭ 40% efikaj, dum eksplodmotoroj estas ĉirkaŭ 50%. Tio signifas, ke duono de la varmo produktita per brulado de fuelo estas malŝparita. Nur duono estas konvertita en mekanikan energion.
Ekzempla demando 1:
Termomotoro sorbas 3000 Ĵulojn da varmo (Q H ), plenumas laboron (W) kaj liberigas 2500 Ĵulojn da varmo (Q L ). Kio estas la efikeco de la termomotoro?
Diskuto
Ekzempla demando 2:
Termomotoro sorbas 3000 Ĵulojn da varmo (Q H ), faras laboron (W) kaj liberigas 2000 Ĵulojn da varmo (Q L ). Kio estas la efikeco de la termomotoro?
Diskuto
Ekzempla demando 3:
Termomotoro sorbas 3000 Ĵulojn da varmo (Q H ), faras laboron (W) kaj liberigas 1500 Ĵulojn da varmo (Q L ). Kio estas la efikeco de la termomotoro?
Diskuto
