Termodünaamika teine ​​seadus

Artikkel termodünaamika teisest seadusest

Kõik looduslikult esinevad protsessid toimuvad ainult ühes suunas, kuid ei saa toimuda vastassuunas, mida tavaliselt nimetatakse pöördumatuteks protsessideks. Pärast varrest vabanemist ja vabalangemine Kui mango kukub maapinnale, ei liigu see enam kunagi üles tagasi. Raamat, mida me lükkame ja siis peatume, ei liigu enam kunagi meie poole tagasi. Kui puudutame kõrge temperatuuriga (kuuma) eset madala temperatuuriga (külma) esemega, siis voolab soojus loomulikult kõrge temperatuuriga esemelt madala temperatuuriga esemele. Me ei näe kunagi vastupidist protsessi, kus soojus liigub loomulikult külmalt esemelt kuumale esemele. Kui see protsess toimuks, muutuks külm objekt külmemaks, samas kui kuum objekt muutuks kuumemaks. Tegelikkuses see aga nii ei ole. On palju pöördumatuid protsesse, mis näivad üksteisest erinevad, kuid need kõik hõlmavad muutusi energia vormis ja energia ülekandumist ühelt objektilt teisele.

Näiteks toimub võimas maavärin, mis põhjustab hoonete kokkuvarisemise (hooned varisevad kokku maavärinalainete energia tõttu). Kas olete kunagi näinud, kuidas kokkuvarisenud hoone iga osa tuleb uuesti kokku ja seisab püsti nagu enne? Või näiteks klaas kukub põrandale ja puruneb... Kas olete kunagi näinud, kuidas põrandale laiali puistatud klaasikillud tulevad uuesti kokku ja moodustavad klaasi, mis on endiselt terve? Seda pole kunagi juhtunud... on palju teisi näiteid.

Ainult ühes suunas toimuvate termodünaamiliste protsesside (pöördumatud protsessid) selgitamiseks sõnastasid teadlased termodünaamika teise seaduse. Termodünaamika teine ​​seadus selgitab, millised protsessid saavad universumis toimuda ja millised mitte. Üks teadlane nimega RJE Clausius (1822–1888) tegi järgmise avalduse:

Soojus liigub iseenesest kõrge temperatuuriga objektilt madala temperatuuriga objektile; soojus ei liigu iseenesest madala temperatuuriga objektilt kõrge temperatuuriga objektile (termodünaamika teine ​​​​seadus – Clausiuse väide).

Clausiuse väide on termodünaamika teise seaduse eriväide. Seda nimetatakse eriväiteks, kuna see kehtib ainult ühe protsessi, nimelt soojusülekande kohta. Kuna see väide ei ole seotud teiste protsessidega, vajame üldisemat väidet. Termodünaamika teise seaduse üldväite väljatöötamine põhines osaliselt soojusmasinate uurimisel. Seetõttu arutame kõigepealt soojusmasinaid.

SOOJUSMOOTOR

Suur osa meie kasutatavast energiast pärineb nafta, gaasi ja kivisöe keemilisest potentsiaalsest energiast. Naftas, gaasis või kivisöes sisalduvat keemilist potentsiaalset energiat ei saa otse kasutada. Nafta, gaas või kivisöe tuleb kõigepealt ära põletada. Tavaliselt tekitab fossiilkütuste (nafta, gaas ja kivisöe) põletamine soojust. Soojust saab otse kasutada toidu valmistamiseks ja ruumi kütmiseks. Millegi liigutamiseks (näiteks sõiduki liigutamiseks) peame soojuse muundama kineetiliseks või mehaaniliseks energiaks (mehaaniline energia = potentsiaalne energia + kineetiline energia). Mehaanilise energia soojuseks muundamine on väga lihtne töö, kuid soojuse muundamine mehaaniliseks energiaks on keeruline. Proovige oma peopesasid kokku hõõruda... teie peopesad on kuumad, eks? Kui me oma peopesasid kokku hõõrume (me teeme tööd), muundatakse mehaaniline energia soojuseks. Protsess on väga lihtne... Isegi lõpmatut soojust saab toota töö tegemise teel. Kuid vastupidine protsess, nimelt soojuse kasutamine töö tegemiseks, on keeruline.

Seade, mida kasutatakse soojuse rakendamiseks töö tegemiseks, leiutati alles 1700. aastal. Kõnealune seade oli aurumasin. Aurumasinaid kasutati esmakordselt vee pumpamiseks söekaevandustest. Oluline on märkida, et aurumasinaid kasutati esmakordselt enne, kui teadlased teadsid, et soojus on tegelikult temperatuuride erinevuste tõttu ülekantav energia (termodünaamika esimest seadust polnud veel sõnastatud).

Aurumasinate kasutamine sel ajal põhines tõenäoliselt igapäevasel kogemusel, mis näitas, et aur suudab asju liigutada. Aurumasinaid peetakse soojusmasinateks (soojusmasin = seade soojuse muundamiseks mehaaniliseks energiaks). Tänapäeval kasutatakse aurumasinaid elektrienergia tootmiseks. Tänapäevased soojusmasinad on sisepõlemismootorid (automootorid, mootorrattamootorid jne).

Soojusmasina kasutamise põhiidee on see, et soojust saab mehaaniliseks energiaks muuta ainult siis, kui see voolab kõrge temperatuuriga piirkonnast madala temperatuuriga piirkonda. Selle protsessi käigus muundatakse osa soojusest mehaaniliseks energiaks (osa soojusest kasutatakse töö tegemiseks), samas kui osa soojusest suunatakse madala temperatuuriga piirkonda. Energia muundamise ja energiaülekande protsess soojusmasinas on näidatud diagrammil.

Kõrge temperatuur (T_H) ja madalal temperatuuril (T_L) nimetatakse ka mootori töötemperatuuriks. Kõrge temperatuuriga kohast väljuvat soojust tähistatakse sümboliga Q_H, samas kui madala temperatuuriga kohta eralduvat soojust tähistatakse sümboliga Q_L. Kõrge temperatuuriga kohast madala temperatuuriga kohta voolates on mõni Q_H muundatakse mehaaniliseks energiaks (mida kasutatakse töö tegemiseks), osa sellest vabaneb Q-na_LTegelikult loodame me tõesti, et kõik Q_H saab teisendada W-ks, kuid igapäevane kogemus näitab, et see on võimatu. Alati läheb osa soojusest kaotsi. Seega, tuginedes energia jäävusele, võib järeldada, et Q_H = W + Q_L.

Nüüd vaatame soojusmasinat, mida tavaliselt kasutatakse soojuse mehaaniliseks energiaks muundamiseks. Oluline on märkida, et me vaatleme ainult neid soojusmasinaid, mis teevad pidevalt tööd. Selleks, et tööd tehtaks pidevalt, peab soojus pidevalt voolama kõrge temperatuuriga piirkonnast madala temperatuuriga piirkonda. Kui soojus voolab ainult üks kord, tehakse ka soojusmasina tehtud tööd ainult üks kord (toodetud mehaaniline energia on väga väike). Seetõttu ei saa soojusmasinat optimaalselt kasutada. Soojusmasinat saab optimaalselt kasutada, kui see teeb tööd pidevalt. Teisisõnu, soojusmasina toodetud mehaaniline energia on piisav millegi liigutamiseks.

Aurumootor

Aurumasinad kasutavad soojusülekande keskkonnana veeauru. Auru nimetatakse aurumasinate töökeskkonnaks. Aurumasinaid on kahte tüüpi: kolbmootorid ja turbiinmootorid (auruturbiinid). Nende konstruktsioonid erinevad veidi, kuid mõlemal tüübil on sarnasusi: nad kasutavad auru, mida kuumutatakse õli, gaasi, kivisöe või tuumaenergia põletamisel.

Kolb-tüüpi aurumasin

Anumas olevat vett kuumutatakse tavaliselt kõrge rõhu all. Kuna seda kuumutatakse kõrge rõhu all, toimub keemisprotsess kõrgel temperatuuril. Temperatuur on otseselt proportsionaalne rõhuga. Mida kõrgem on auru temperatuur, seda suurem on aururõhk. See kõrge temperatuuriga või kõrgsurve aur liigub läbi sisselaskeklapi ja paisub kolvi vastu. Paisudes surub aur kolbi, pannes selle paremale liikuma.

Osa auru soojusest muundatakse kineetiliseks energiaks. Kui kolb liigub paremale, pöörleb kolviga ühendatud ratas (1). Poole pöörde järel surub ratas kolvi tagasi algasendisse (2). Kui kolb liigub vasakule, sulgub sisselaskeventiil automaatselt ja väljalaskeventiil avaneb automaatselt. Kondensaator kondenseerib auru, mis muutub kasteveeks. Seejärel pumbatakse kondensaatoris olev vesi tagasi anumasse, kus see uuesti keeb. Ja nii edasi… Kuna protsess toimub korduvalt, liigub kolb pidevalt paremale ja vasakule. Kuna kolb liigub pidevalt paremale ja vasakule, pöörleb ka ratas pidevalt. Ratta pöörlemist kasutatakse tavaliselt millegi liigutamiseks.

Auruturbiin

Auruturbiini tööpõhimõte on sisuliselt sama mis kolb-aurumasinal. Erinevus seisneb selles, et kolb-aurumasin kasutab kolbi, auruturbiin aga turbiini. Kolb-aurumasinas muundatakse soojus esmalt kolvi translatsioonikineetiliseks energiaks. Seejärel muundatakse kolvi translatsioonikineetiline energia pöörleva ratta pöörlemiskineetiliseks energiaks. Auruturbiinis muundatakse soojus otse turbiini pöörlemiskineetiliseks energiaks. Turbiin saab pöörleda rõhu erinevuse tõttu. Laba kohal oleva auru temperatuur on palju kõrgem kui laba all oleva auru temperatuur. Laba on õhuke plaat, mis asub turbiini keskel. Temperatuur on otseselt proportsionaalne rõhuga. Kuna laba kohal oleva auru temperatuur on kõrgem kui laba all oleva auru temperatuur, on auru rõhk laba kohal suurem kui rõhk laba all. See rõhu erinevus põhjustab auru survet laba allapoole, pannes turbiini pöörlema. Turbiini pöörlemissuund on näidatud joonisel.

Oluline on märkida, et aurumasina tööpõhimõte põhineb eespool selgitatud energiaülekande diagrammil. Sellisel juhul saab mehaanilist energiat tekitada soojuse voolamise teel kõrge temperatuuriga objektilt või kohast madala temperatuuriga objektile või kohta. Seetõttu on temperatuuride erinevus aurumasinas oluline.

Kui pöörate tähelepanu kolbmootori tööle, märkate, et kolb saab ikkagi liikuda vasakule ja paremale, isegi kui temperatuuride erinevust pole (kondensaatorit ega pumpa pole). Kolb saab liikuda paremale kõrge temperatuuri või kõrgsurve auru paisumise tõttu. Sel juhul muundatakse osa auru soojusest kolvi translatsioonikineetiliseks energiaks. See kolvi translatsioonikineetiline energia muundatakse seejärel pöörleva ratta pöörlemiskineetiliseks energiaks. Pärast poole pöörde sooritamist lükkab ratas kolvi tagasi vasakule. Kui ratas surub kolbi tagasi vasakule, muundatakse ratta pöörlemiskineetiline energia taas kolvi translatsioonikineetiliseks energiaks. Vasakule liikudes surub see silindrist auru välja. Samal ajal avaneb väljalaskeklapp.

Seega lükkab kolvi poolt lükatav aur oma sõpra väljalaskeklapi alla. Kui aga väljalaskeklapi all oleva auru temperatuur on võrdne kolvi poolt lükatava auru temperatuuriga, siis kogu kolvi translatsiooniline kineetiline energia muundatakse tagasi auru siseenergiaks. Siseenergia on otseselt proportsionaalne temperatuuriga. Kui auru siseenergia tõuseb, tõuseb ka auru temperatuur. Temperatuur on otseselt proportsionaalne rõhuga. Kui auru temperatuur tõuseb, suureneb ka auru rõhk. Seega on väljalaskeklapi kaudu vabaneva auru rõhk võrdne sisselaskeklapi kaudu siseneva auru rõhuga. Kolb jätkab pidevalt paremale ja vasakule liikumist, kuid kogu kineetilist energiat ei saa kasutada (kogutööd ei tehta). Seega naaseb kolvi poolt paisumisprotsessi käigus (kolb liigub paremale) vastuvõetud kineetiline energia kokkusurumisprotsessi ajal aurule (kolb liigub vasakule).

Järeldatakse, et temperatuuride erinevus aurumasinas on siiski vajalik. Selle temperatuuride erinevuse saab aurumasinas saavutada kondensaatori abil. Kui väljalaskeklapi all oleva auru temperatuur ja rõhk on palju madalamad kui silindris oleva auru temperatuur ja rõhk, siis kui kolb liigub tagasi vasakule, on kolvi poolt aurule avaldatav rõhk palju väiksem kui rõhk, mida aur kolvile avaldab, kui kolb liigub paremale. Teisisõnu, töö, mida kolb teeb auruga, on palju väiksem kui töö, mida aur teeb kolviga. Seega tagastatakse aurule ainult väike osa kolvi kineetilisest energiast. Seega tekib kogu kineetiline energia ehk kogu töö. Seda kogu kineetilist energiat kasutatakse millegi liigutamiseks.

Sisepõlemismootor

Mootorratta- ja automootorid on näited sisepõlemismootoritest. Neid nimetatakse sisepõlemismootoriteks, kuna põlemisprotsess toimub suletud silindris. Sisepõlemismootorid on adiabaatilise kokkusurumise ja paisumise kontseptsiooni kasutava inseneritöö tulemus, nagu eelmises teemas selgitatud. termodünaamika esimene seadus.

Vaatleme ainult sisepõlemismootoreid, mis kasutavad kütusena bensiini ja diislikütust. Bensiin ja diislikütus on naftatooted ja seetõttu omavad nad keemilist potentsiaalset energiat. Bensiini ja diislikütuse keemiline potentsiaalne energia muundatakse põlemisprotsessi käigus esmalt soojuseks. Põlemisel tekkiv soojus muundatakse seejärel mehaaniliseks energiaks. See mehaaniline energia võimaldab mootorrattal või autol liikuda. Bensiinimootori tsüklit nimetatakse Otto tsükliks, diiselmootori tsüklit aga diiseltsükliks. Tsükkel on pöörduv termodünaamiline protsess. Kõigepealt arutame Otto tsüklit.

Otto tsükkel

See on neljataktilise sisepõlemismootori diagramm. Õhu ja bensiiniauru segu voolab karburaatorist silindrisse, kui kolb liigub allapoole (sisselasketakt). Seejärel surutakse silindris olev õhu ja bensiiniauru segu adiabaatiliselt kokku, kui kolb liigub ülespoole (survetakt). Kuna see surutakse adiabaatiliselt kokku, tõusevad segu temperatuur ja rõhk. Samal ajal süütab süüteküünal segu, mis selle süütab. Põlemisel tõusevad gaasi temperatuur ja rõhk. Kõrge temperatuuriga ja kõrge rõhu all olev gaas paisub kolvi vastu, surudes seda allapoole (paisumistakt). Seejärel vabaneb põlenud gaas väljalaskeklapi kaudu ja suunatakse väljalasketoru poole (väljalasketakt). Sisselaskeklapp avaneb uuesti ja neli takti korduvad.

Oluline on märkida, et adiabaatilise survetakti eesmärk on tõsta õhu-bensiini auru segu temperatuuri ja rõhku. Kõrge rõhu all põlemine tekitab väga kõrgeid temperatuure ja rõhke. Seetõttu on paisumisprotsessi käigus tekkiv tõukejõud (F = PA) väga suur. Selle tulemusel muutub mootorratta või auto mootor võimsamaks. Isegi ilma kokkusurumiseta võib õhu-bensiini auru segu süttida, kui süüteküünal tekitab sädeme. Põlemisgaasi temperatuur ja rõhk ei ole aga väga kõrged, seega on ka tekkiv tõukejõud väike. Selle tulemusel muutub mootor vähem võimsaks.

Neljataktilise sisepõlemismootori energia muundamise ja ülekande protsessi saab selgitada järgmiselt: põlemise ajal muundatakse bensiini keemiline potentsiaalne energia ja õhu energia soojuseks. Osa soojusest muundatakse kolvivarres ja väntvõllis mehaaniliseks energiaks, osa aga vabaneb väljalasketoru kaudu. Suurem osa kolvivarre ja väntvõlli mehaanilisest energiast muundatakse sõidukis (sõiduki liigutamisel) mehaaniliseks energiaks, väike osa aga soojuseks. Soojus tekib hõõrdumise teel.

Otto tsükli adiabaatilise paisumise ja kokkusurumise protsessi saab illustreerida alloleva diagrammiga. See diagramm näitab bensiinimootoriga sisepõlemismootoris toimuvate termodünaamiliste protsesside idealiseeritud mudelit.

Silindrisse siseneb õhu ja bensiiniauru segu (a). Seejärel surutakse õhu ja bensiiniauru segu adiabaatiliselt kokku (a-b). Pange tähele, et silindri maht väheneb. Õhu ja bensiiniauru segu kuumutatakse konstantsel mahul – segu põletatakse (b-c). Põlenud gaas paisub adiabaatiliselt (c-d). Jahtumine konstantsel mahul – põlenud gaas juhitakse väljalasketorusse ja silindrisse siseneb uus õhu ja bensiiniauru segu (d-a).

Silindrisse siseneb õhu ja bensiiniauru segu (a). Seejärel surutakse õhu ja bensiiniauru segu adiabaatiliselt kokku (a-b). Pange tähele, et silindri maht väheneb. Õhu ja bensiiniauru segu kuumutatakse konstantsel mahul – segu põletatakse (b-c). Põlenud gaas paisub adiabaatiliselt (c-d). Jahtumine konstantsel mahul – põlenud gaas juhitakse väljalasketorusse ja silindrisse siseneb uus õhu ja bensiiniauru segu (d-a).

Diislitsükkel

Diiselmootori tööpõhimõte sarnaneb bensiinimootori omaga. Erinevus seisneb esialgses adiabaatilises kokkusurumisetapis (adiabaatiline kokkusurumine = kokkusurumine, mis toimub nii kiiresti, et soojusel pole aega süsteemi sisse ega välja voolata. Süsteem on antud juhul silinder). Kui bensiinimootoris surutakse kokku õhu ja bensiiniauru segu, siis diiselmootoris surutakse kokku ainult õhk. Adiabaatiline kokkusurumine põhjustab õhu temperatuuri ja rõhu tõusu. Seejärel pihustab pihusti diislikütust. Kuna õhu temperatuur ja rõhk on juba väga kõrged, siis diislikütuse silindrisse pihustamisel süttib see kohe. Süüteküünlaid pole vaja. Pange tähele alloleval diagrammil näidatud rõhuväärtust. Bvõrdle Otto tsükli diagrammil näidatud rõhu suurusega.

See diagramm näitab ideaalset diiseltsüklit. Algselt surutakse õhk adiabaatiliselt kokku (a-b), seejärel kuumutatakse seda konstantsel rõhul – pihusti pihustab diislikütust ja toimub põlemine (b-c), põlenud gaas paisub adiabaatiliselt (c-d), jahtub konstantsel mahul – põlenud gaas väljutatakse väljalasketoru kaudu ja värske õhk siseneb silindrisse (d-a).

Eelneva selgituse põhjal võib järeldada, et igal soojusmasinal on sisuliselt kindel töötav aine. Aurumasina töötav aine on vesi, bensiinimootori töötav aine on õhk ja bensiiniaur ning diiselmootori töötav aine on õhk ja diislikütus. Töötav aine neelab tavaliselt soojust kõrgel temperatuuril (Q_H), tehes tööd (W) ja seejärel vabastades ülejäänud soojuse madalamal temperatuuril (Q_L). Kuna energia jääb alles, siis Q_H = W + Q_L.

Soojusmasina efektiivsus

Soojusmasina kasutegur (e) on mootori tehtud töö (W) ja kõrgel temperatuuril tekkiva soojusenergia (Q) suhe._H). Matemaatiliselt saab seda kirjutada nii:

W on meie poolt saadav kasum, samas kui Q on meie poolt saadav kasum._H on kulu, mida me kanname kütuse ostmisel ja põletamisel. Inimestena, kes soovivad alati saada võimalikult suurt kasumit ja võimalikult väikseid kulutusi, loodame tõesti, et saadav kasum (W) on vastavuses meie kantud kuluga (QH). Kas see on võimalik?

Energia jäävuse seaduse põhjal sisendsoojus (Q_H) peab olema võrdne tehtud tööga (W) + vabanenud soojusega (Q)_L). Matemaatiliselt:

Soojusmasina efektiivsuse protsentides väljendamiseks korrutage efektiivsusvõrrand lihtsalt 100%-ga. Eeltoodud efektiivsusvõrrandi põhjal, mida rohkem soojust eemaldub (Q_L) soojusmasina poolt, seda vähem efektiivne on soojusmasin. Me tahame tegelikult kõrvaldatava soojuse hulka (Q_L) nii vähe kui võimalik. Siiski on soojussisend (Q_H) saadakse tavaliselt nafta, kivisöe, gaasi jne põletamisel (kütus, mille eest me maksame).

Seega on iga soojusmasin sisuliselt konstrueeritud võimalikult efektiivseks. Kuigi me soovime saavutada suurimat võimalikku kasu võimalikult väikeste kulutustega, on aurumasinate efektiivsus tegelikult umbes 40%, sisepõlemismootorite aga umbes 50%. See tähendab, et pool kütuse põletamisel tekkivast soojusest läheb raisku. Ainult pool muundatakse mehaaniliseks energiaks.

Näidisküsimus 1:

Soojusmasin neelab 3000 džauli soojust (Q_H), tehes tööd (W) ja eraldades 2500 džauli soojust (Q_L). Milline on soojusmasina kasutegur?

Arutelu

Näidisküsimus 2:

Soojusmasin neelab 3000 džauli soojust (Q_H), tehes tööd (W) ja vabastades 2000 džauli soojust (Q_L). Milline on soojusmasina kasutegur?

Arutelu

Näidisküsimus 3:

Soojusmasin neelab 3000 džauli soojust (Q_H), tehes tööd (W) ja vabastades 1500 džauli soojust (Q_L). Milline on soojusmasina kasutegur?

Arutelu