Termodinamikaren Bigarren Legeari buruzko artikulua
Naturalki gertatzen diren prozesu guztiak norabide bakarrean gertatzen dira, baina ezin dira kontrako norabidean gertatu, prozesu itzulezinak deritze normalean. Zurtoinetik askatu eta lurrera libreki erori ondoren , mangoa ez da inoiz berriro gorantz mugitzen. Bultzatzen dugun eta gero gelditzen dugun liburua ez da inoiz guregana itzultzen. Tenperatura altuko objektu bat (objektu beroa) tenperatura baxuko objektu batekin (objektu hotz) ukitzen badugu, beroa naturalki tenperatura altuko objektutik tenperatura baxuko objektura isurtzen da. Ez dugu inoiz alderantzizko prozesua ikusten, non beroa naturalki objektu hotz batetik objektu bero batera mugitzen den. Prozesu hau gertatuko balitz, objektu hotza hotzagoa bihurtuko litzateke, eta objektu beroa, berriz, beroagoa. Baina errealitatean, ez da horrela. Elkarrengandik desberdinak diruditen prozesu itzulezin asko daude, baina guztiek energia formaren aldaketak eta energia objektu batetik bestera transferitzea dakarte.
Adibidez, lurrikara indartsu bat dago, eraikinak erortzea eragiten duena (eraikinak lurrikara-uhinek daramaten energiaren ondorioz erortzen dira). Ikusi al duzu inoiz eroritako eraikinaren zati bakoitza berriro elkartzen eta lehen bezala zutik jartzen? Edo, adibidez, beira bat lurrera erortzen eta apurtzen... Ikusi al dituzu inoiz lurrean sakabanatutako beira-zatiak berriro elkartzen eta lehen bezain osorik dagoen beira bat osatzen? Inoiz ez da gertatu... beste adibide asko daude.
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 :
Beroa bere kabuz mugitzen da tenperatura altuko objektu batetik tenperatura baxuko objektu batera; beroa ez da bere kabuz mugituko tenperatura baxuko objektu batetik tenperatura altuko objektu batera (Termodinamikaren bigarren legea - Clausius-en adierazpena).
Clausius-en adierazpena termodinamikaren bigarren legearen adierazpen berezi bat da. Adierazpen berezi deitzen zaio prozesu bakar bati aplikatzen zaiolako, bero-transferentziari hain zuzen ere. Adierazpen hau ez dagoenez beste prozesuekin erlazionatuta, adierazpen orokorrago bat behar dugu. Termodinamikaren bigarren legearen adierazpen orokorraren garapena neurri batean motor termikoen azterketan oinarritu zen. Beraz, lehenik motor termikoak aztertuko ditugu.
MOTOR TERMIKOA
Erabiltzen dugun energiaren zati handi bat petrolioan, gasean eta ikatzean dagoen energia potentzial kimikotik dator. Petrolioan, gasean edo ikatzean dagoen energia potentzial kimikoa ezin da zuzenean erabili. Petrolioa, gasa edo ikatza lehenik erre egin behar dira. Normalean, erregai fosilak (petrolioa, gasa eta ikatza) erretzeak beroa sortzen du. Beroa zuzenean erabil daiteke janaria prestatzeko eta gela bat berotzeko. Zerbait mugitzeko (adibidez, ibilgailu bat mugitzeko), beroa energia zinetiko edo energia mekaniko bihurtu behar dugu (energia mekanikoa = energia potentziala + energia zinetikoa). Energia mekanikoa bero bihurtzea oso lan erraza da, baina beroa energia mekaniko bihurtzea zaila da. Saiatu esku-ahurrak igurzten... esku-ahurrak bero daude, ezta? Esku-ahurrak igurzten ditugunean (lana egiten dugunean), energia mekanikoa bero bihurtzen da. Prozesua oso erraza da... Bero infinitua ere sor daiteke lana eginez. Baina alderantzizko prozesua, hots, beroa lana egiteko erabiltzea, zaila da.
Beroa lan egiteko aprobetxatzeko erabiltzen zen gailu bat 1700. urtean asmatu zen. Gailua lurrun-makina zen. Lurrun-makinak lehen aldiz erabili ziren ikatz-meategietatik ura ponpatzeko. Garrantzitsua da kontuan izatea lurrun-makinen lehen erabilera zientzialariek jakin aurretik gertatu zela beroa tenperatura-diferentziak direla eta transferitzen den energia dela (termodinamikaren lehen legea oraindik ez zen formulatu).
Garai hartan lurrun-makinen erabilera ziurrenik eguneroko esperientzian oinarritzen zen, lurrunak gauzak mugi zitzakeela erakusten baitzuen. Lurrun-makinak bero-motortzat hartzen dira (bero-motorra = beroa energia mekaniko bihurtzeko gailua). Gaur egun, lurrun-makinak energia elektrikoa sortzeko erabiltzen dira. Bero-motor modernoak barne-errekuntzako motorrak dira (autoen motorrak, motozikleten motorrak, etab.).
Motor termiko bat erabiltzearen oinarrizko ideia da beroa energia mekaniko bihur daitekeela tenperatura altuko eskualde batetik tenperatura baxuko eskualde batera isurtzen uzten bada bakarrik. Prozesu honetan, beroaren zati bat energia mekaniko bihurtzen da (beroaren zati bat lana egiteko erabiltzen da), eta beroaren zati bat tenperatura baxuko eskualdera kanporatzen da. Motor termiko bateko energia-bihurketa eta energia-transferentzia prozesua diagraman ageri da.
Tenperatura altua (TH) eta tenperatura baxua (TL) motorraren funtzionamendu-tenperatura ere deitzen zaio. Tenperatura handiko leku batetik isurtzen den beroari Q ikurra ematen zaioH, tenperatura baxuko leku batera askatzen den beroari Q ikurra ematen zaioL. Tenperatura altuko leku batetik tenperatura baxuko leku batera isurtzean, Q batzukH energia mekaniko bihurtzen da (lana egiteko erabiltzen da), eta zati bat Q gisa askatzen daLEgia esan, espero dugu Q guztiakH W bihur daiteke, baina eguneroko esperientziak erakusten du hori ezinezkoa dela. Beti galtzen da bero pixka bat. Beraz, energiaren kontserbazioan oinarrituta, ondoriozta daiteke Q delaH = W + QL.
Orain, beroa energia mekaniko bihurtzeko erabili ohi den motor termiko bat aztertuko dugu. Garrantzitsua da kontuan izatea lan jarraitua egiten duten motor termikoak bakarrik kontuan hartzen ari garela. Lana etengabe egiteko, beroa etengabe isuri behar da tenperatura altuko eskualde batetik tenperatura baxuko eskualde batera. Beroa behin bakarrik isurtzen bada, motor termikoak egindako lana ere behin bakarrik egingo da (sortutako energia mekanikoa oso txikia izango da). Beraz, motor termikoa ezin da modu optimoan erabili. Motor termiko bat modu optimoan erabil daiteke lana etengabe egiten badu. Beste era batera esanda, motor termikoak sortutako energia mekanikoa nahikoa da zerbait mugitzeko erabiltzeko.
Lurrun-makina
Lurrun-makinek ur-lurruna erabiltzen dute bero-transferentziarako euskarri gisa. Lurruna lurrun-makinaren lan-substantziatzat hartzen da. Bi lurrun-makina mota daude: lurrun-makina alternatiboak eta turbina-lurrun-makinak (lurrun-turbinak). Haien diseinuak apur bat desberdinak dira, baina bi motek antzekotasunak dituzte: petrolioa, gasa, ikatza edo energia nuklearra errez berotutako lurruna erabiltzen dute.
Lurrun-makina mota erreziprokoa
Ontzi bateko ura normalean presio altuan berotzen da. Presio altuan berotzen denez, irakite-prozesua tenperatura altuan gertatzen da. Tenperatura zuzenean proportzionala da presioarekin. Lurrunaren tenperatura zenbat eta handiagoa izan, orduan eta handiagoa da lurrun-presioa. Tenperatura altuko edo presio altuko lurrun hau sarrera-balbulatik mugitzen da eta pistoiaren kontra hedatzen da. Hedatzen den heinean, lurrunak pistoia bultzatzen du, eskuinera mugiaraziz.
Lurrunaren beroaren zati bat energia zinetiko bihurtzen da. Pistoia eskuinera mugitzen denean, pistoiari lotutako gurpila biratzen da (1). Bira erdi baten ondoren, gurpilak pistoia bere jatorrizko posiziora bultzatzen du (2). Pistoia ezkerrera mugitzen denean, sarrera-balbula automatikoki ixten da, eta ihes-balbula, berriz, automatikoki irekitzen da. Lurruna kondentsadoreak kondentsatzen du, ihintz bihurtuz. Ondoren, kondentsadoreko ura ontzira ponpatzen da berriro irakiteko. Eta abar... Prozesua behin eta berriz gertatzen denez, pistoia eskuinera eta ezkerrera mugitzen da etengabe. Pistoia eskuinera eta ezkerrera mugitzen denez, gurpila ere etengabe biratzen da. Gurpilaren biraketa normalean zerbait mugitzeko erabiltzen da.
Lurrun-turbina
Lurrun-turbina baten funtzionamendu-printzipioa funtsean lurrun-makina alternatibo baten berdina da. Aldea da lurrun-makina alternatibo batek pistoi bat erabiltzen duela, eta lurrun-turbina batek, berriz, turbina bat. Lurrun-makina alternatibo batean, beroa lehenik pistoiaren translazio-energia zinetiko bihurtzen da. Ondoren, pistoiaren translazio-energia zinetikoa biraka ari den gurpilaren errotazio-energia zinetiko bihurtzen da. Lurrun-turbina batean, beroa zuzenean turbinaren errotazio-energia zinetiko bihurtzen da. Turbina biratu egin daiteke presio-diferentzia baten ondorioz. Palaren gaineko lurrunaren tenperatura palaren azpiko lurrunaren tenperatura baino askoz handiagoa da. Pala turbinaren erdian kokatutako plaka mehe bat da. Tenperatura zuzenean proportzionala da presioarekin. Palaren gaineko lurrunaren tenperatura palaren azpiko lurrunaren tenperatura baino handiagoa denez, palaren gaineko lurrun-presioa palaren azpiko presioa baino handiagoa da. Presio-diferentzia honek lurrunak pala behera bultzatzea eragiten du, turbina biratzea eraginez. Turbinaren biraketaren norabidea irudian ageri da.
Garrantzitsua da kontuan izatea lurrun-makinaren funtzionamendu-printzipioa goian azaldutako energia-transferentziaren diagraman oinarritzen dela. Kasu honetan, energia mekanikoa sor daiteke beroa tenperatura altua duen objektu edo kokapen batetik tenperatura baxua duen objektu edo kokapen batera isurtzen utziz. Beraz, tenperatura-diferentzia ezinbestekoa da lurrun-makinan.
Lurrun-makina alternatibo batek nola funtzionatzen duen erreparatzen badiozu, ohartuko zara pistoia ezkerrera eta eskuinera mugi daitekeela tenperatura-alderik ez egon arren (kondentsadorerik edo ponparik ez). Pistoia eskuinera mugi daiteke tenperatura altuko edo presio altuko lurrunaren hedapenaren ondorioz. Kasu honetan, lurrunaren beroaren zati bat pistoiaren energia zinetiko translazional bihurtzen da. Pistoiaren energia zinetiko translazional hori gurpil birakariaren energia zinetiko birakaria bihurtzen da. Bira erdi bat osatu ondoren, gurpilak pistoia ezkerrera bultzatzen du atzera. Gurpilak pistoia ezkerrera bultzatzen duenean, gurpilaren energia zinetiko birakaria berriro pistoiaren energia zinetiko translazional bihurtzen da. Pistoia ezkerrera mugitzen den heinean, zilindroko lurruna kanporatzen du. Aldi berean, ihes-balbula irekitzen da.
Horrela, pistoiak bultzatutako lurrunak bere laguna ihes-balbularen azpira bultzatuko du. Orain, ihes-balbularen azpiko lurrunaren tenperatura pistoiak bultzatutako lurrunaren tenperaturaren berdina bada, orduan pistoiaren translazio-energia zinetiko guztia lurrunaren barne-energia bihurtuko da berriro. Barne-energia zuzenean proportzionala da tenperaturarekin. Lurrunaren barne-energia handitzen bada, lurrunaren tenperatura handitzen da. Tenperatura zuzenean proportzionala da presioarekin. Lurrunaren tenperatura handitzen bada, lurrunaren presioa ere handitzen da. Horrela, ihes-balbulatik askatzen den lurrunaren presioa sarrera-balbulatik sartzen den lurrunaren presioaren berdina da. Pistoiak etengabe eskuinera eta ezkerrera mugitzen jarraituko du, baina ez da erabili daitekeen energia zinetiko osorik egongo (ez da lanik sortuko). Beraz, pistoiak hedapen-prozesuan zehar jasotako energia zinetikoa (pistoia eskuinera mugitzen da) lurrunari itzuliko zaio konpresio-prozesuan zehar (pistoia ezkerrera mugitzen da).
Lurrun-makina batean tenperatura-diferentzia beharrezkoa dela ondorioztatzen da oraindik. Lurrun-makina batean tenperatura-diferentzia hau kondentsadore bat erabiliz lor daiteke. Ihes-balbularen azpiko lurrunaren tenperatura eta presioa zilindroko lurrunaren tenperatura eta presioa baino askoz txikiagoak direnean, pistoia ezkerrera itzultzen denean, pistoiak lurrunari egiten dion presioa askoz txikiagoa da lurrunak pistoiari egiten dion presioa baino pistoia eskuinera mugitzen denean. Beste era batera esanda, pistoiak lurrunari egiten dion lan kopurua askoz txikiagoa da lurrunak pistoiari egiten dion lan kopurua baino. Beraz, pistoiaren energia zinetikoaren zati txiki bat bakarrik itzultzen zaio lurrunari. Horrela, energia zinetiko osoa edo sortutako lan osoa egongo da. Energia zinetiko oso hau zerbait mugitzeko erabiltzen da.
Barne-errekuntzako motorra
Motozikleta eta auto motorrak barne-errekuntzako motorren adibideak dira. Barne-errekuntzako motor deitzen zaie, errekuntza-prozesua zilindro itxi baten barruan gertatzen delako. Barne-errekuntzako motorrak termodinamikaren lehen legean azaltzen den konpresio eta hedapen adiabatikoaren kontzeptuaren ingeniaritzaren emaitza dira.
Barne-errekuntzako motorrak bakarrik hartuko ditugu kontuan, gasolina eta gasolioa erregai gisa erabiltzen dituztenak. Gasolina eta gasolioa petrolio-produktuak dira, eta, beraz, energia potentzial kimikoa dute. Gasolina eta gasolioaren energia potentzial kimikoa lehenik bero bihurtzen da errekuntza-prozesuaren bidez. Errekuntzaren bidez sortutako beroa energia mekaniko bihurtzen da ondoren. Energia mekaniko horrek motozikleta edo auto bat mugitzea ahalbidetzen du. Gasolina-motor baten zikloari Otto zikloa deitzen zaio, eta diesel-motor baten zikloari, berriz, diesel zikloa. Zikloa prozesu termodinamiko itzulgarria da. Lehenik eta behin, Otto zikloa aztertuko dugu.
Otto zikloa
Barne-errekuntzako lau aldiko motor baten diagrama da hau. Aire eta gasolina-lurrun nahasketa bat karburagailutik zilindrora isurtzen da pistoia behera mugitzen den heinean (sarrera-ibilbidea). Zilindroko aire eta gasolina-lurrun nahasketa adiabatikoki konprimitzen da pistoia gora mugitzen den heinean (konpresio-ibilbidea). Adiabatikoki konprimitzen denez, nahastearen tenperatura eta presioa handitzen dira. Aldi berean, bujiak nahastea pizten du, piztuz. Erretzen den heinean, gasaren tenperatura eta presioa handitzen dira. Tenperatura altuko eta presio altuko gasa pistoiaren kontra hedatzen da, behera bultzatuz (hedapen-ibilbidea). Erretako gasa ihes-balbulatik askatzen da eta ihes-hodirantz zuzentzen da (ihes-ibilbidea). Sarrera-balbula berriro irekitzen da, eta lau ibilaldiak errepikatzen dira.
Garrantzitsua da kontuan izatea konpresio adiabatikoaren helburua aire-gasolina lurrun nahastearen tenperatura eta presioa handitzea dela. Presio handiko errekuntzak tenperatura eta presio oso altuak sortzen ditu. Ondorioz, hedapen prozesuan sortzen den bultzada (F = PA) oso handia da. Horren ondorioz, motozikleta edo auto baten motorra indartsuagoa bihurtzen da. Konpresiorik gabe ere, aire-gasolina lurrun nahastea piztu daiteke bujiak txinparta sortzen duenean. Hala ere, erretako gasaren tenperatura eta presioa ez dira oso altuak, beraz, sortzen den bultzada ere txikia da. Ondorioz, motorra ahulagoa bihurtzen da.
Lau aldiko barne-errekuntzako motor batean energiaren eraldaketa eta energia-transferentzia prozesua honela azal daiteke: Errekuntzan zehar, gasolinako energia potentzial kimikoa eta aireko energia bero bihurtzen dira. Beroaren zati bat energia mekaniko bihurtzen da pistoi-hagatxoan eta birabarkian, eta beste zati bat ihes-hodiaren bidez askatzen da. Pistoi-hagatxoan eta birabarkian dagoen energia mekaniko gehiena energia mekaniko bihurtzen da ibilgailuan (ibilgailua mugitzean), eta zati txiki bat bero bihurtzen da. Beroa marruskaduraren bidez sortzen da.
Otto zikloko hedapen eta konpresio adiabatiko prozesua beheko diagraman ilustra daiteke. Diagrama honek gasolinaz elikatzen den barne-errekuntzako motor batean gertatzen diren prozesu termodinamikoen eredu idealizatua erakusten du.
Aire eta gasolina-lurrun nahasketa bat sartzen da zilindroan (a). Ondoren, aire eta gasolina-lurrun nahasketa adiabatikoki konprimitzen da (a-b). Kontuan izan zilindroaren bolumena gutxitzen dela. Aire eta gasolina-lurrun nahasketa bolumen konstantean berotzen da – nahasketa erre egiten da (b-c). Erretako gasak hedapen adiabatikoa jasaten du (c-d). Bolumen konstantean hoztea – erretako gasa ihes-hodira isurtzen da eta aire + gasolina-lurrun nahasketa berri bat sartzen da zilindroan (d-a).
Aire eta gasolina-lurrun nahasketa bat sartzen da zilindroan (a). Ondoren, aire eta gasolina-lurrun nahasketa adiabatikoki konprimitzen da (a-b). Kontuan izan zilindroaren bolumena gutxitzen dela. Aire eta gasolina-lurrun nahasketa bolumen konstantean berotzen da – nahasketa erre egiten da (b-c). Erretako gasak hedapen adiabatikoa jasaten du (c-d). Bolumen konstantean hoztea – erretako gasa ihes-hodira isurtzen da eta aire + gasolina-lurrun nahasketa berri bat sartzen da zilindroan (d-a).
Diesel zikloa
Diesel motor baten funtzionamendu-printzipioa gasolina-motor batenaren antzekoa da. Desberdintasuna hasierako konpresio adiabatikoan datza (konpresio adiabatikoa = hain azkar egiten den konpresioa, non beroak ez duen denborarik sistemara edo sistematik irteteko. Kasu honetan, sistema zilindro bat da). Gasolina-motor batean aire eta gasolina-lurrun nahasketa bat konprimitzen den bitartean, diesel motor batean airea bakarrik konprimitzen da. Konpresio adiabatikoak airearen tenperatura eta presioa handitzea eragiten du. Ondoren, injektoreak, hau da, gasolioa ihinztatzen du. Airearen tenperatura eta presioa oso altuak direnez, gasolioa zilindroan ihinztatzen denean, berehala pizten da. Ez da bujiarik behar. Kontuan izan beheko diagraman agertzen den presio-balioa. Konparatu Otto zikloaren diagraman agertzen den presio-balioarekin.
Diagrama honek diesel ziklo ideal bat erakusten du. Hasieran, airea adiabatikoki konprimitzen da (a-b), ondoren presio konstantean berotzen da – injektoreak gasolioa ihinztatzen du eta errekuntza gertatzen da (b-c), erretako gasak hedapen adiabatikoa jasaten du (c-d), bolumen konstantean hozten da – erretako gasa ihes-hoditik kanporatzen da eta aire freskoa zilindrora sartzen da (d-a).
Goiko azalpenean oinarrituta, ondoriozta daiteke bero-motor bakoitzak funtsean lan-substantzia espezifiko bat duela. Lurrun-motor baten lan-substantzia ura da, gasolina-motor baten lan-substantzia airea eta gasolina-lurruna, eta diesel-motor baten lan-substantzia airea eta gasolioa. Lan-substantziak normalean beroa xurgatzen du tenperatura altuan (Q H ), lana egiten du (W) eta gero gainerako beroa askatzen du tenperatura baxuagoan (Q L ). Energia kontserbatzen denez, orduan Q H = W + Q L.
Bero-motorren eraginkortasuna
Motor termiko baten eraginkortasuna (e) motorrak egindako lanaren (W) eta tenperatura altuan sartzen den beroaren (Q H ) arteko erlazioa da. Matematikoki, honela idatz daiteke:
W jasotzen dugun irabazia da, eta QH, berriz, erregaia erosteko eta erretzeko dugun kostua. Gizakiok beti ahalik eta irabazi handiena eta ahalik eta gastu txikiena lortu nahi dugunez, benetan espero dugu lortzen dugun irabazia (W) sortzen dugun kostuaren (QH) parekoa izatea. Posible al da hori?
Energiaren kontserbazioan oinarrituta, sarrerako beroa (Q H ) egindako lanaren (W) + askatutako beroaren (Q L ) berdina izan behar da. Matematikoki:
Motor termiko baten eraginkortasuna ehuneko gisa adierazteko, besterik gabe biderkatu eraginkortasun-ekuazioa % 100ez. Goiko eraginkortasun-ekuazioan oinarrituta, motor termiko batek zenbat eta bero gehiago baztertu (Q L ), orduan eta eraginkortasun gutxiago du. Ahalik eta bero gutxien baztertzea (Q L ) nahiko genuke . Hala ere, bero-sarrera (Q H ) normalean petrolioa, ikatza, gasa eta abar errez lortzen da (ordainduko ditugun erregaiak).
Beraz, bero-motor guztiak ahalik eta eraginkorrenak izateko diseinatuta daude funtsean. Gastu txikienarekin ahalik eta etekin handiena lortu nahi badugu ere, errealitatea da lurrun-makinak % 40 inguruko eraginkortasuna dutela normalean, eta barne-errekuntzako motorrak, berriz, % 50 ingurukoak. Horrek esan nahi du erregaia erretzean sortutako beroaren erdia alferrik galtzen dela. Erdia bakarrik bihurtzen da energia mekaniko.
1. galderaren adibidea:
Motor termiko batek 3000 Joule bero (Q H ) xurgatzen ditu, lana (W) egiten du eta 2500 Joule bero (Q L ) askatzen ditu. Zein da motorraren eraginkortasuna?
Eztabaida
2. galderaren adibidea:
Motor termiko batek 3000 Joule bero (Q H ) xurgatzen ditu, lana (W) egiten du eta 2000 Joule bero (Q L ) askatzen ditu. Zein da motorraren eraginkortasuna?
Eztabaida
3. galderaren adibidea:
Motor termiko batek 3000 Joule bero (Q H ) xurgatzen ditu, lana (W) egiten du eta 1500 Joule bero (Q L ) askatzen ditu. Zein da motorraren eraginkortasuna?
Eztabaida
