Artikkeli termodynamiikan toisesta laista
Kaikki luonnossa esiintyvät prosessit tapahtuvat vain yhteen suuntaan, eivätkä ne voi tapahtua vastakkaiseen suuntaan. Näitä prosesseja kutsutaan yleisesti peruuttamattomiksi prosesseiksi. Vapauduttuaan varrestaan ja pudottuaan vapaasti maahan mango ei koskaan liiku enää ylöspäin. Kirja, jota työnnämme ja sitten pysähdymme, ei koskaan liiku takaisin meitä kohti. Jos kosketamme korkean lämpötilan omaavaa kappaletta (kuumaa kappaletta) matalan lämpötilan kappaleella (kylmällä kappaleella), lämpö virtaa luonnollisesti korkean lämpötilan kappaleesta matalan lämpötilan kappaleeseen. Emme koskaan näe käänteistä prosessia, jossa lämpö siirtyy luonnollisesti kylmästä kappaleesta kuumaan kappaleeseen. Jos tämä prosessi tapahtuisi, kylmä kappale kylmenisi ja kuuma kappale kuumenisi. Mutta todellisuudessa asia ei ole niin. On monia peruuttamattomia prosesseja, jotka näyttävät eroavan toisistaan, mutta ne kaikki sisältävät muutoksia energian muodossa ja energian siirtymistä kappaleesta toiseen.
Esimerkiksi voimakas maanjäristys saa rakennukset romahtamaan (rakennukset romahtavat maanjäristysaaltojen kuljettaman energian vuoksi). Oletko koskaan nähnyt romahtaneen rakennuksen jokaisen osan palautuvan yhteen ja seisovan pystyssä kuten ennenkin? Tai esimerkiksi lasin putoavan lattialle ja särkyvän... Oletko koskaan nähnyt lattialle siroteltujen lasinsirpaleiden palautuvan yhteen ja muodostavan lasin, joka on jälleen ehjä? Näin ei ole koskaan tapahtunut... on monia muita esimerkkejä.
Selittääkseen vain yhteen suuntaan tapahtuvia termodynaamisia prosesseja (palautumattomia prosesseja) tiedemiehet muotoilivat termodynamiikan toisen pääsäännön. Termodynamiikan toinen pääsääntö selittää, mitkä prosessit voivat tapahtua maailmankaikkeudessa ja mitkä eivät. Eräs tiedemies nimeltä R.J.E. Clausius (1822–1888) esitti seuraavan lausunnon:
Lämpö siirtyy itsestään korkean lämpötilan kappaleesta matalan lämpötilan kappaleeseen; lämpö ei siirry itsestään matalan lämpötilan kappaleesta korkean lämpötilan kappaleeseen (termodynamiikan toinen pääsääntö – Clausiuksen lause).
Clausiuksen lause on termodynamiikan toisen pääsäännön erikoislause. Sitä kutsutaan erikoislauseeksi, koska se pätee vain yhteen prosessiin, nimittäin lämmönsiirtoon. Koska tämä lause ei liity muihin prosesseihin, tarvitsemme yleisemmän lauseen. Termodynamiikan toisen pääsäännön yleisen lauseen kehitys perustui osittain lämpökoneiden tutkimukseen. Siksi käsittelemme ensin lämpömoottoreita.
LÄMPÖMOOTTORI
Suuri osa käyttämästämme energiasta tulee öljyn, kaasun ja hiilen sisältämästä kemiallisesta potentiaalienergiasta. Öljyn, kaasun tai hiilen sisältämää kemiallista potentiaalienergiaa ei voida käyttää suoraan. Öljy, kaasu tai hiili on poltettava ensin. Tyypillisesti fossiilisten polttoaineiden (öljyn, kaasun ja hiilen) polttaminen tuottaa lämpöä. Lämpöä voidaan käyttää suoraan ruoanlaittoon ja huoneen lämmittämiseen. Jotta voimme liikuttaa jotakin (esimerkiksi ajoneuvoa), meidän on muunnettava lämpö kineettiseksi energiaksi tai mekaaniseksi energiaksi (mekaaninen energia = potentiaalienergia + kineettinen energia). Mekaanisen energian muuntaminen lämmöksi on erittäin helppoa, mutta lämmön muuntaminen mekaaniseksi energiaksi on vaikeaa. Kokeile hieroa kämmeniäsi yhteen… kämmenesi ovat kuumia, eikö niin? Kun hieromme kämmeniämme yhteen (teemme työtä), mekaaninen energia muuttuu lämmöksi. Prosessi on erittäin helppo… Jopa ääretön määrä lämpöä voidaan tuottaa tekemällä työtä. Mutta käänteinen prosessi, nimittäin lämmön käyttäminen työn tekemiseen, on vaikea.
Laite, jota käytettiin lämmön valjastamiseen työn suorittamiseen, keksittiin vasta vuonna 1700. Kyseinen laite oli höyrykone. Höyrykoneita käytettiin ensimmäisen kerran veden pumppaamiseen hiilikaivoksista. On tärkeää huomata, että höyrykoneita käytettiin ensimmäisen kerran ennen kuin tiedemiehet tiesivät, että lämpö on itse asiassa lämpötilaerojen vuoksi siirtyvää energiaa (termodynamiikan ensimmäistä pääsääntöä ei ollut vielä muotoiltu).
Höyrykoneiden käyttö tuolloin perustui todennäköisesti arkipäivän kokemuksiin, jotka osoittivat, että höyryllä voi liikuttaa esineitä. Höyrykoneita pidetään lämpökoneina (lämpökone = laite, joka muuntaa lämmön mekaaniseksi energiaksi). Nykyään höyrykoneita käytetään sähköenergian tuottamiseen. Nykyaikaiset lämpökoneet ovat polttomoottoreita (autonmoottorit, moottoripyörän moottorit jne.).
Lämpömoottorin perusajatuksena on, että lämpö voidaan muuntaa mekaaniseksi energiaksi vain, jos sen annetaan virrata korkean lämpötilan alueelta matalan lämpötilan alueelle. Tässä prosessissa osa lämmöstä muuttuu mekaaniseksi energiaksi (osa lämmöstä käytetään työn tekemiseen), kun taas osa lämmöstä siirtyy matalan lämpötilan alueelle. Lämpömoottorin energianmuunnos- ja energiansiirtoprosessi on esitetty kaaviossa.
Korkea lämpötila (TH) ja matalassa lämpötilassa (TL) kutsutaan myös moottorin käyttölämpötilaksi. Korkeassa lämpötilassa olevasta paikasta virtaavaa lämpöä merkitään symbolilla QH, kun taas matalan lämpötilan paikkaan vapautuva lämpö merkitään symbolilla QL. Kun virtaa korkean lämpötilan paikasta matalan lämpötilan paikkaan, osa Q:staH muunnetaan mekaaniseksi energiaksi (käytetään työn tekemiseen), osa siitä vapautuu Q:naLItse asiassa toivomme todella, että kaikki QH voidaan muuntaa W:ksi, mutta jokapäiväinen kokemus osoittaa, että tämä on mahdotonta. Lämpöä menetetään aina jonkin verran. Siten energian säilymislain perusteella voidaan päätellä, että QH = W + QL.
Tarkastellaan nyt lämpömoottoria, jota yleisesti käytetään lämmön muuntamiseen mekaaniseksi energiaksi. On tärkeää huomata, että tarkastelemme vain lämpömoottoreita, jotka tekevät jatkuvaa työtä. Jotta työtä voitaisiin tehdä jatkuvasti, lämmön on virrattava jatkuvasti korkean lämpötilan alueelta matalan lämpötilan alueelle. Jos lämpö virtaa vain kerran, lämpömoottorin tekemä työ tehdään myös vain kerran (tuotava mekaaninen energia on hyvin pieni). Siksi lämpömoottoria ei voida hyödyntää optimaalisesti. Lämpömoottoria voidaan hyödyntää optimaalisesti, jos se tekee työtä jatkuvasti. Toisin sanoen lämpömoottorin tuottama mekaaninen energia riittää jonkin liikuttamiseen.
Höyrykone
Höyrykoneet käyttävät vesihöyryä lämmönsiirtoaineena. Höyryä kutsutaan höyrykoneen työaineeksi. Höyrykoneita on kahdenlaisia: mäntähöyrykoneita ja turbiinihöyrykoneita (höyryturbiineja). Niiden rakenteet eroavat hieman toisistaan, mutta molemmilla tyypeillä on yhtäläisyyksiä: ne käyttävät höyryä, jota lämmitetään polttamalla öljyä, kaasua, hiiltä tai ydinenergiaa.
Edestakaisin liikkuva höyrykone
Säiliössä olevaa vettä lämmitetään yleensä korkeassa paineessa. Koska se lämmitetään korkeassa paineessa, kiehumisprosessi tapahtuu korkeassa lämpötilassa. Lämpötila on suoraan verrannollinen paineeseen. Mitä korkeampi höyryn lämpötila on, sitä suurempi on höyrynpaine. Tämä korkean lämpötilan tai korkeapaineen höyry liikkuu tuloventtiilin läpi ja laajenee mäntää vasten. Laajentuessaan höyry työntää mäntää, jolloin se liikkuu oikealle.
Osa höyryn lämmöstä muuttuu liike-energiaksi. Kun mäntä liikkuu oikealle, mäntään yhdistetty pyörä pyörii (1). Puolen kierroksen jälkeen pyörä työntää männän takaisin alkuperäiseen asentoonsa (2). Kun mäntä liikkuu vasemmalle, imuventtiili sulkeutuu automaattisesti ja poistoventtiili avautuu automaattisesti. Lauhdutin tiivistää höyryn, jolloin se muuttuu kasteeksi. Seuraavaksi lauhduttimessa oleva vesi pumpataan takaisin astiaan, jossa se kiehuu uudelleen. Ja niin edelleen… Koska prosessi toistuu, mäntä liikkuu jatkuvasti oikealle ja vasemmalle. Koska mäntä liikkuu jatkuvasti oikealle ja vasemmalle, myös pyörä pyörii jatkuvasti. Pyörän pyörimistä käytetään yleensä jonkin liikuttamiseen.
Höyryturbiini
Höyryturbiinin toimintaperiaate on olennaisesti sama kuin edestakaisin liikkuvan höyrykoneen. Ero on siinä, että edestakaisin liikkuva höyrykone käyttää mäntää, kun taas höyryturbiini käyttää turbiinia. Edestakaisin liikkuvassa höyrykoneessa lämpö muuttuu ensin männän translaatiokineettiseksi energiaksi. Tämän jälkeen männän translaatiokineettiseksi energiaksi muuttuu pyörivän pyörän pyörimiskineettiseksi energiaksi. Höyryturbiinissa lämpö muuttuu suoraan turbiinin pyörimiskineettiseksi energiaksi. Turbiini voi pyöriä paine-eron vuoksi. Lavan yläpuolella olevan höyryn lämpötila on paljon korkeampi kuin lavan alapuolella olevan höyryn lämpötila. Lava on ohut levy, joka sijaitsee turbiinin keskellä. Lämpötila on suoraan verrannollinen paineeseen. Koska lavan yläpuolella olevan höyryn lämpötila on korkeampi kuin lavan alapuolella olevan höyryn lämpötila, lavan yläpuolella oleva höyrynpaine on suurempi kuin lavan alapuolella oleva paine. Tämä paine-ero saa höyryn työntämään lavaa alaspäin, jolloin turbiini pyörii. Turbiinin pyörimissuunta on esitetty kuvassa.
On tärkeää huomata, että höyrykoneen toimintaperiaate perustuu edellä selitettyyn energiansiirtokaavioon. Tässä tapauksessa mekaanista energiaa voidaan tuottaa antamalla lämmön virrata korkean lämpötilan omaavasta esineestä tai paikasta matalan lämpötilan omaavaan esineeseen tai paikkaan. Siksi lämpötilaero on välttämätön höyrykoneessa.
Jos kiinnität huomiota edestakaisin liikkuvan höyrykoneen toimintaan, huomaat, että mäntä voi silti liikkua vasemmalle ja oikealle, vaikka lämpötilaeroa ei olekaan (ei lauhdutinta tai pumppua). Mäntä voi liikkua oikealle korkean lämpötilan tai korkeapaineen höyryn laajenemisen vuoksi. Tässä tapauksessa osa höyryn lämmöstä muuttuu männän translaatiokineettiseksi energiaksi. Tämä männän translaatiokineettiseksi energiaksi muuttuu sitten pyörivän pyörän pyörimiskineettiseksi energiaksi. Puolen kierroksen jälkeen pyörä työntää mäntää takaisin vasemmalle. Kun pyörä työntää mäntää takaisin vasemmalle, pyörän pyörimiskineettiseksi energiaksi muuttuu jälleen männän translaatiokineettiseksi energiaksi. Kun mäntä liikkuu vasemmalle, se työntää höyryä ulos sylinteristä. Samaan aikaan pakoventtiili avautuu.
Näin ollen männän työntämä höyry työntää kumppaniaan pakoventtiilin alle. Jos pakoventtiilin alapuolella olevan höyryn lämpötila on yhtä suuri kuin männän työntämän höyryn lämpötila, niin kaikki männän translaatioliike-energia muuttuu takaisin höyryn sisäiseksi energiaksi. Sisäinen energia on suoraan verrannollinen lämpötilaan. Jos höyryn sisäinen energia nousee, höyryn lämpötila nousee. Lämpötila on suoraan verrannollinen paineeseen. Jos höyryn lämpötila nousee, myös höyryn paine nousee. Näin ollen pakoventtiilin kautta vapautuvan höyryn paine on yhtä suuri kuin tuloventtiilin kautta tulevan höyryn paine. Mäntä jatkaa jatkuvasti liikkumista oikealle ja vasemmalle, mutta kokonaisliike-energiaa ei voida hyödyntää (kokonaistyötä ei tuoteta). Niinpä männän paisuntaprosessin aikana vastaanottama liikkee-energia (mäntä liikkuu oikealle) palautuu höyryyn puristusprosessin aikana (mäntä liikkuu vasemmalle).
Johtopäätöksenä on, että lämpötilaero höyrykoneessa on edelleen välttämätön. Tämä lämpötilaero höyrykoneessa voidaan saavuttaa käyttämällä lauhdutinta. Kun pakoventtiilin alapuolella olevan höyryn lämpötila ja paine ovat paljon alhaisemmat kuin sylinterissä olevan höyryn lämpötila ja paine, männän liikkuessa takaisin vasemmalle männän höyryyn kohdistama paine on paljon pienempi kuin höyryn mäntään kohdistama paine, kun mäntä liikkuu oikealle. Toisin sanoen männän höyryyn tekemä työ on paljon pienempi kuin höyryn mäntään tekemä työ. Niinpä vain pieni osa männän kineettisestä energiasta palautuu höyryyn. Näin ollen kokonaiskineettistä energiaa eli kokonaistyötä syntyy. Tätä kokonaiskineettistä energiaa käytetään jonkin liikuttamiseen.
Polttomoottori
Moottoripyörien ja autojen moottorit ovat esimerkkejä polttomoottoreista. Niitä kutsutaan polttomoottoreiksi, koska palamisprosessi tapahtuu suljetun sylinterin sisällä. Polttomoottorit ovat adiabaattisen puristuksen ja laajenemisen käsitteen tulos, joka selitetään termodynamiikan ensimmäisessä pääsäännössä.
Tarkastelemme vain polttomoottoreita, jotka käyttävät polttoaineena bensiiniä ja dieseliä. Bensiini ja diesel ovat öljytuotteita, ja niillä on siksi kemiallista potentiaalienergiaa. Bensiinin ja dieselin kemiallinen potentiaalienergia muuttuu ensin lämmöksi palamisprosessin kautta. Palamisessa syntyvä lämpö muunnetaan sitten mekaaniseksi energiaksi. Tämä mekaaninen energia mahdollistaa moottoripyörän tai auton liikkumisen. Bensiinimoottorin kiertoa kutsutaan Otto-kiertokuluksi, kun taas dieselmoottorin kiertokulua kutsutaan diesel-kiertokuluksi. Kiertokuluma on palautuva termodynaaminen prosessi. Keskustellaan ensin Otto-kiertokulusta.
Otto-sykli
Tämä on kaavio nelitahtipolttomoottorista. Ilman ja bensiinin seos virtaa kaasuttimesta sylinteriin männän liikkuessa alaspäin (imuisku). Sylinterissä oleva ilman ja bensiinin seos puristuu sitten adiabaattisesti männän liikkuessa ylöspäin (puristusisku). Koska se puristuu adiabaattisesti, seoksen lämpötila ja paine nousevat. Samanaikaisesti sytytystulppa sytyttää seoksen, jolloin se syttyy. Sen palaessa kaasun lämpötila ja paine nousevat. Korkean lämpötilan ja paineen omaava kaasu laajenee mäntää vasten työntäen sitä alaspäin (laajenemistahti). Palanut kaasu vapautuu sitten pakoventtiilin kautta ja johdetaan pakoputkeen (pakoisku). Imuventtiili avautuu uudelleen, ja neljä iskua toistetaan.
On tärkeää huomata, että adiabaattisen puristusiskun tarkoituksena on nostaa ilma-bensiinihöyryseoksen lämpötilaa ja painetta. Palaminen korkeassa paineessa tuottaa erittäin korkeita lämpötiloja ja paineita. Tämän seurauksena paisuntaprosessin aikana syntyvä työntövoima (F = PA) on erittäin suuri. Tämä johtaa moottoripyörän tai auton moottorin tehon kasvuun. Jopa ilman puristusta ilma-bensiinihöyryseos voi syttyä, kun sytytystulppa tuottaa kipinän. Palavan kaasun lämpötila ja paine eivät kuitenkaan ole kovin korkeita, joten syntyvä työntövoima on myös pieni. Tämän seurauksena moottorista tulee heikompi.
Nelitahtisen polttomoottorin energianmuunnos- ja energiansiirtoprosessi voidaan selittää seuraavasti: Palamisen aikana bensiinin kemiallinen potentiaalienergia ja ilman energia muuttuvat lämmöksi. Osa lämmöstä muuttuu mekaaniseksi energiaksi männänvarressa ja kampiakselissa, kun taas osa vapautuu pakoputken kautta. Suurin osa männänvarren ja kampiakselin mekaanisesta energiasta muuttuu mekaaniseksi energiaksi ajoneuvossa (ajoneuvon liikuttamisessa), kun taas pieni osa muuttuu lämmöksi. Lämpö syntyy kitkan avulla.
Otto-syklin adiabaattinen laajenemis- ja puristusprosessi voidaan havainnollistaa alla olevalla kaaviolla. Tämä kaavio esittää idealisoidun mallin bensiinikäyttöisessä polttomoottorissa tapahtuvista termodynaamisista prosesseista.
Ilman ja bensiinihöyryn seos tulee sylinteriin (a). Ilman ja bensiinihöyryn seos puristetaan sitten adiabaattisesti (a-b). Huomaa, että sylinterin tilavuus pienenee. Ilman ja bensiinihöyryn seosta lämmitetään vakiotilavuudessa – seos palaa (b-c). Palanut kaasu laajenee adiabaattisesti (c-d). Jäähdytys vakiotilavuudessa – palanut kaasu poistuu pakoputkeen ja uusi ilma-bensiinihöyry-seos tulee sylinteriin (d-a).
Ilman ja bensiinihöyryn seos tulee sylinteriin (a). Ilman ja bensiinihöyryn seos puristetaan sitten adiabaattisesti (a-b). Huomaa, että sylinterin tilavuus pienenee. Ilman ja bensiinihöyryn seosta lämmitetään vakiotilavuudessa – seos palaa (b-c). Palanut kaasu laajenee adiabaattisesti (c-d). Jäähdytys vakiotilavuudessa – palanut kaasu poistuu pakoputkeen ja uusi ilma-bensiinihöyry-seos tulee sylinteriin (d-a).
Diesel-sykli
Dieselmoottorin toimintaperiaate on samanlainen kuin bensiinimoottorin. Ero on alkuperäisessä adiabaattisessa puristusvaiheessa (adiabaattinen puristus = puristus, joka tapahtuu niin nopeasti, ettei lämmöllä ole aikaa virrata järjestelmään tai siitä pois. Järjestelmä on tässä tapauksessa sylinteri). Bensiinimoottorissa puristetaan ilman ja bensiinihöyryn seosta, kun taas dieselmoottorissa puristetaan vain ilmaa. Adiabaattinen puristus nostaa ilman lämpötilaa ja painetta. Seuraavaksi ruiskutin ruiskuttaa dieseliä. Koska ilman lämpötila ja paine ovat jo erittäin korkeat, diesel syttyy välittömästi, kun dieseliä ruiskutetaan sylinteriin. Sytytystulppia ei tarvita. Huomaa alla olevassa kaaviossa esitetty painearvo. Vertaa sitä Otto-syklikaaviossa esitettyyn painearvoon.
Tämä kaavio esittää ihanteellisen dieselsyklin. Aluksi ilma puristetaan adiabaattisesti (a-b), sitten se lämmitetään vakiopaineessa – ruiskutin ruiskuttaa dieseliä ja palaminen tapahtuu (b-c), palanut kaasu laajenee adiabaattisesti (c-d), jäähtyy vakiotilavuudessa – palanut kaasu poistuu pakoputken kautta ja raitis ilma tulee sylinteriin (d-a).
Yllä olevan selityksen perusteella voidaan päätellä, että jokaisella lämpövoimakoneella on pohjimmiltaan tietty työaine. Höyrykoneen työaine on vesi, bensiinimoottorin työaine on ilma ja bensiinihöyry, dieselmoottorin työaine on ilma ja diesel. Työaine yleensä absorboi lämpöä korkeassa lämpötilassa (Q H ), tekee työtä (W) ja vapauttaa sitten jäljelle jääneen lämmön alemmassa lämpötilassa (Q L ). Koska energiaa säilyy, niin Q H = W + Q L.
Lämpömoottorin hyötysuhde
Lämpömoottorin hyötysuhde (e) on moottorin tekemän työn (W) ja korkeassa lämpötilassa tuodun lämmön (Q H ) suhde. Matemaattisesti se voidaan kirjoittaa seuraavasti:
W on saamamme voitto, kun taas QH on polttoaineen ostamisesta ja polttamisesta aiheutuvat kustannukset. Ihmisinä, jotka haluavat aina saada mahdollisimman suuren voiton ja mahdollisimman pienet menot, toivomme todella, että saamamme voitto (W) on oikeassa suhteessa aiheutuneisiin kustannuksiin (QH). Onko se mahdollista?
Energian säilymislain perusteella lämmön (Q H ) on oltava yhtä suuri kuin tehty työ (W) + vapautunut lämpö (Q L ). Matemaattisesti:
Lämpömoottorin hyötysuhteen ilmaisemiseksi prosentteina kerro hyötysuhdeyhtälö 100 prosentilla. Yllä olevan hyötysuhdeyhtälön perusteella mitä enemmän lämpömoottori poistaa lämpöä (Q L ), sitä vähemmän tehokas se on. Haluaisimme kovasti, että lämpöä poistettaisiin mahdollisimman vähän (Q L ). Lämmöntuonti (Q H ) saadaan kuitenkin yleensä polttamalla öljyä, hiiltä, kaasua jne. (polttoaineita, joista maksamme).
Siksi jokainen lämpövoimakone on pohjimmiltaan suunniteltu mahdollisimman tehokkaaksi. Vaikka haluammekin suurimman mahdollisen hyödyn mahdollisimman pienillä kustannuksilla, todellisuudessa höyrymoottorien hyötysuhde on tyypillisesti noin 40 %, kun taas polttomoottorien hyötysuhde on noin 50 %. Tämä tarkoittaa, että puolet polttoaineen palamisessa tuotetusta lämmöstä menee hukkaan. Vain puolet muuttuu mekaaniseksi energiaksi.
Esimerkkikysymys 1:
Lämpökone absorboi 3000 joulea lämpöä (Q H ), tekee työtä (W) ja vapauttaa 2500 joulea lämpöä (Q L ). Mikä on lämpökoneen hyötysuhde?
Keskustelu
Esimerkkikysymys 2:
Lämpökone absorboi 3000 joulea lämpöä (Q H ), tekee työtä (W) ja vapauttaa 2000 joulea lämpöä (Q L ). Mikä on lämpökoneen hyötysuhde?
Keskustelu
Esimerkkikysymys 3:
Lämpökone absorboi 3000 joulea lämpöä (Q H ), tekee työtä (W) ja vapauttaa 1500 joulea lämpöä (Q L ). Mikä on lämpökoneen hyötysuhde?
Keskustelu
