Selittääkseen peruuttamattomia termodynaamisia prosesseja tiedemiehet muotoilivat termodynamiikan toisen pääsäännön. Termodynamiikan toinen pääsääntö selittää, mitä prosesseja maailmankaikkeudessa voi tapahtua ja mitä ei voi tapahtua. Eräs tiedemies nimeltä RJE Clausius (1822-1888) esitti seuraavan lausunnon:
Luonnollisesti lämpö siirtyy korkean lämpötilan kappaleista matalan lämpötilan kappaleisiin; luonnollisesti lämpö ei siirry matalan lämpötilan kappaleista korkean lämpötilan kappaleisiin (termodynamiikan toinen pääsääntö – Clausiuksen väite).
Clausiuksen lause on yksi termodynamiikan toisen pääsäännön erityislauseista. Sitä kutsutaan erityislauseeksi, koska se pätee vain yhteen prosessiin, joka liittyy lämmönsiirtoon. Koska tämä lause ei liity muihin prosesseihin, tarvitsemme yleisemmän lauseen. Termodynamiikan toisen pääsäännön yleisen lauseen kehitys perustuu lämpömoottoreiden tutkimukseen. Siksi käsittelemme ensin moottorin lämpöä.
Lämpömoottori
Suuri osa käyttämästämme energiasta on peräisin öljyn, kaasun ja hiilen sisältämästä kemiallisesta potentiaalienergiasta. Suoraan hyödynnettäväksi tarkoitettu kemiallinen potentiaalienergia on ensin poltettava. Yleensä fossiilisten polttoaineiden (öljyn, kaasun ja hiilen) polttaminen tuottaa lämpöä. Lämpöä voidaan käyttää suoraan ruoanlaittoon tai huoneen lämmittämiseen. Jotta voimme liikuttaa jotakin (kuten ajoneuvoa), meidän on muunnettava lämpö kineettiseksi energiaksi tai mekaaniseksi energiaksi (mekaaninen energia = potentiaalienergia + kineettinen energia).
Vuonna 1700 löydettiin työkalu, joka käyttää lämpöä työn tekemiseen. Se oli höyrykone. Höyrykonetta käytettiin ensimmäisen kerran veden pumppaamiseen hiilikaivoksesta.
Höyrykoneita käytetään, koska höyryllä voidaan liikuttaa esineitä. Höyrykoneisiin kuuluu lämpökone (lämpökone on työkalu lämmön muuntamiseksi mekaaniseksi energiaksi). Nykyään höyrykonetta käytetään sähköenergian tuottamiseen. Nykyaikaiset lämpökoneet ovat polttomoottoreita, kuten autojen moottorit, moottoripyörien moottorit jne.
Lämpökoneiden käytön perusajatus on, että lämpö voidaan muuntaa mekaaniseksi energiaksi, jos lämmön annetaan virrata korkeista lämpötiloista mataliin lämpötiloihin. Tässä prosessissa osa lämmöstä muuttuu mekaaniseksi energiaksi (osa lämmöstä käytetään työn tekemiseen), osa lämmöstä purkautuu matalan lämpötilan paikoissa. Energian muodon muuttumisen ja energiansiirron prosessi lämpökoneessa näyttää tältä kaaviolta.
Korkea lämpötila (TH) ja matalassa lämpötilassa (TL) kutsutaan koneen käyttölämpötiloiksi. QH on korkeasta lämpötilasta virtaava lämpö, kun taas QL on lämpöä, joka virtaa matalan lämpötilan paikkaan. Kun virtaa korkeasta lämpötilasta matalaan lämpötilaan, osa lämmöstä muuttuu mekaaniseksi energiaksi (käytetään työssä), osa lämmöstä häviää Q:naLKaikkea lämpöä ei voida muuttaa työksi (W), aina vapautuu lämpöä (QL). Näin ollen energian säilymislain perusteella QH = W + QL.
Lämpökoneita on useita, mukaan lukien höyrykoneet ja polttomoottorit.
Höyrykone
Höyrykoneet käyttävät vesihöyryä lämmönsiirtoaineena. Höyry on työnestettä. Höyrykoneita on kahdenlaisia: vuorottelevia höyrykoneita ja turbiinihöyrykoneita. Näiden moottoreiden rakenne on erilainen, mutta nämä kaksi höyrykonetyyppiä käyttävät höyryä, jota lämmitetään polttamalla öljyä, kaasua, hiiltä tai käyttämällä ydinenergiaa.
Sisäiset polttomoottorit
Moottoripyörän moottorit ja auton moottorit ovat esimerkkejä polttomoottoreista. Niitä kutsutaan polttomoottoriksi, koska palamisprosessi tapahtuu suljetuissa sylintereissä. Polttomoottorin olemassaolo on seurausta adiabaattisen puristuksen ja laajenemisen teknisestä konseptista.
Lämpömoottorin hyötysuhde
Lämpövoimakoneen hyötysuhde (e) on vertailu koneen tekemän työn (W) ja lämmöntuonnin (QH) välillä korkeassa lämpötilassa.
W on saatu hyöty, kun taas Q H on polttoaineen ostamisesta ja polttamisesta aiheutuvat kustannukset. Ihmisinä, jotka haluavat aina saada maksimaalisen voiton ja pienimmät kulut, toivomme, että voiton kasvu (W) on verrannollinen käyttämiimme kustannuksiin (Q H ). Voisiko näin tapahtua?
Energian säilymislain perusteella lämmön (Q H ) on oltava yhtä suuri kuin työ (W) + vapautunut lämpö (Q L ).
Korvaa yhtälön 1 W yhtälön 2 W:llä
Tämä on lämpömoottorin hyötysuhteen yhtälö.
Kysymys 1:
Lämpövoimakone absorboi 3000 joulea (QH ) lämpöä, tekee työtä (W) ja poistaa 2500 joulea (QL ) lämpöä. Laske moottorin lämpötehokkuus.
Ratkaisu
Lämpömoottorin hyötysuhde = 17 %.
Kysymys 2:
Lämpökone absorboi 3000 joulen lämpöenergiaa (QH ) , tekee työtä (W) ja poistaa 2000 joulen lämpöenergiaa (QL ) . Laske lämpökoneen hyötysuhde.
Ratkaisu
Lämpömoottorin hyötysuhde = 34 %.
Kysymys 3:
Lämpökone absorboi 3000 joulea lämpöä (Q H ), tekee työtä (W) ja tuottaa jopa 1500 joulea lämpöä (Q L ). Laske lämpökoneen hyötysuhde?
Ratkaisu
Lämpömoottorin hyötysuhde = 50 %.
