Cur an sàs an Dàrna Lagh de Thermodynamics ri Einnseanan Teas
’S e an t-inneal teas aon de na h-innleachdan as cudromaiche ann an eachdraidh na teicneòlais oir leig e le daoine lùth teirmeach a thionndadh gu obair mheacanaigeach fheumail. Bho na h-einnseanan smùide aig an Ar-a-mach Gnìomhachais gu na roth-uidheaman gas agus na h-einnseanan losgaidh a-staigh ann an carbadan an latha an-diugh, tha bun-bheachd einnsean teas fhathast mar a tha e: stòr teas, sinc teas, agus obair a thèid a thoirt a-mach. Ach an gabh a h-uile teas a thionndadh gu obair 100% den ùine? Carson a bhios “call” do-sheachanta ann an-còmhnaidh? Tha am freagairt anns an Dàrna Lagh de Thermodynamics. Chan e dìreach riaghailt teòiridheach a tha san lagh seo, ach crìoch bunaiteach a tha a’ dearbhadh dè cho èifeachdach ‘s as urrainn do einnsean teas obrachadh agus mar a bu chòir a dhealbhadh.
Sealladh farsaing air einnseanan teas
Gu sìmplidh, 's e siostam a th' ann an einnsean teas a bhios ag obair ann an dòigh chearcallach gus cuid den lùth teas a tha a' tighinn a-steach a thionndadh gu obair. Ann an aon chearcall, bidh an t-einnsean a' gabhail a-steach teas bho stòras teth (me, losgadh connaidh no reactar niùclasach), a' dèanamh obair (me, tionndadh shailean), agus an uairsin a' diùltadh an teas a tha air fhàgail gu stòras fuar (me, èadhar a-muigh no uisge fuarachaidh). Tha na trì eileamaidean seo - stòras teth, einnsean, agus stòras fuar - an-còmhnaidh an làthair ann an einnsean teas fìor.
Ma chleachdas sinn comharradh cumanta:
– Bidh an inneal a’ gabhail a-steach teas bho thùs teas a tha a’ tighinn gu ìre Qₕ (cuir-a-steach teas).
– Bidh an inneal a’ dèanamh obair W.
– Bidh an inneal a’ leigeil teas a-mach don àrainneachd no don stòr fuar ann an tomhas Q𝑐.
A rèir a’ Chiad Lagh de Thermodynamics (gleidheadh lùtha), tha na leanas a’ buntainn:
Qₕ = W + Q𝑐
Tha seo a’ ciallachadh gur e an obair a thèid a dhèanamh an diofar eadar an teas a chaidh a chuir a-steach agus an teas a chaidh a chall. Ach, chan eil a’ Chiad Lagh a’ mìneachadh carson nach urrainn dha Q𝑐 a bhith neoni. Seo far a bheil pàirt chudromach aig an Dàrna Lagh.
Aithris air an Dàrna Lagh de Thermodynamics
Faodar an Dàrna Lagh de Thermodynamics a ràdh ann an grunn chruthan co-ionann, ach is iad an dà aithris as buntainniche do einnseanan teas:
1. Aithris Kelvin–Planck:
Tha e do-dhèanta einnsean teas a thogail a bhios ag obair ann an cearcall agus a thionndaidheas an teas gu lèir a thèid a ghabhail a-steach bho aon stòras-tasgaidh gu obair gun teas a dhiùltadh gu stòras-tasgaidh eile.
Ann am faclan eile, tha e do-dhèanta do einnsean teas èifeachdas 100% a bhith aige.
2. Aithris Clausius:
Tha e do-dhèanta do theas gluasad bho nì fuar gu nì teth às aonais obair bhon taobh a-muigh.
Tha seo a’ mìneachadh carson a dh’ fheumas fridsichean/innealan-adhair lùth dealain: gus teas a “sparradh” gus gluasad an aghaidh a stiùireadh nàdarra.
Tha an dà aithris a’ toirt cunntas air aon phrionnsabal: tha stiùireadh (neo-ath-thionndaidheach) aig pròiseasan nàdarra, agus tha crìochan bunaiteach ann air tionndadh lùth teas gu lùth feumail.
Entropy agus Stiùireadh Pròiseis
Is e bun-bheachd cudromach a tha a’ tighinn bhon Dàrna Lagh entropy (S), meud a thathas gu tric a’ tuigsinn mar thomhas air sgaoileadh lùtha no ìre eas-òrdugh, ged a tha a mhìneachadh teirmeadainimigeach nas foirmeile. Airson pròiseas in-thionndaidheach, tha an t-atharrachadh ann an entropy air a mhìneachadh mar:
dS = δQ_rev / T
Tha an Dàrna Lagh ag ràdh, airson siostam iomallach, nach lùghdaich an entropy iomlan a-riamh:
ΔS_iomlan ≥ 0
Ann an co-theacsa einnsean teas, nuair a bhios teas a’ sruthadh bho thùs teth gu stòr fuar, bidh an entropy iomlan buailteach a dhol am meud. Gus an urrainn don einnsean obair a dhèanamh, bidh e a’ cleachdadh an “t-sruth” seo de lùth teas, ach feumaidh e fhathast cumail ris an riatanas nach fhaod an entropy iomlan lùghdachadh. Mar thoradh air an sin, feumar beagan teas a dhiùltadh an-còmhnaidh don stòras fuar. Chan e dìreach call teicnigeach a tha seo, ach riatanas bunaiteach airson coinneachadh ris an riatanas entropy.
Èifeachdas Einnsean Teas agus Crìoch Carnot
Tha èifeachdas teirmeach einnsean teas air a mhìneachadh mar an co-mheas den obair a thèid a dhèanamh ris an teas a thèid a ghabhail a-steach bhon stòr teas:
η = W / Qₕ = (Qₕ − Q𝑐) / Qₕ = 1 − (Q𝑐 / Qₕ)
Tha an Dàrna Lagh a’ cuingealachadh luach as motha η. Is e einnsean Carnot an t-inneal teas as èifeachdaiche a thaobh teòiridh, einnsean air leth freagarrach a bhios ag obair gu h-in-atharrachail eadar dà stòr-tasgaidh aig teòthachdan Tₕ (teas) agus T𝑐 (fuar) ann an Kelvin. Tha an èifeachdas Carnot as motha air a thoirt seachad le:
η_Carnot = 1 − (T𝑐 / Tₕ)
Tha an fhoirmle seo a’ sealltainn dà rud cudromach:
1. Chan eil an èifeachdas as àirde an urra ri teòthachd an tanca a-mhàin, chan ann air an t-seòrsa lionn obrach no mion-fhiosrachadh dealbhaidh an einnsein.
2. Gus èifeachdas a mheudachadh, feumaidh sinn Tₕ a mheudachadh no T𝑐 a lùghdachadh. Ach, tha an dà chuid cuingealaichte le stuthan, sàbhailteachd, cosgais, agus suidheachaidhean àrainneachdail.
Eisimpleir: ma tha Tₕ = 900 K agus T𝑐 = 300 K, an uairsin:
η_Carnot = 1 − 300/900 = 1 − 1/3 = 0,667 (66,7%)
Is e seo an ìre as fheàrr. Bidh èifeachdas nas ìsle aig fìor einnseanan air sgàth suathadh, call teas, losgadh neo-iomlan, agus factaran eile nach gabh a thionndadh air ais.
Neo-ath-thionndaidheachd ann an Innealan Fìor
Tha an Dàrna Lagh cuideachd a’ mìneachadh carson nach ruig fìor einnseanan èifeachdas Carnot a-riamh. Is e neo-ais-thionndaidh am prìomh adhbhar, is e sin am pròiseas a bhios a’ gineadh entropy. Seo cuid de thùsan neo-ais-thionndaidh ann an einnseanan teas:
– Suathadh meacanaigeach air shailean, giùlan agus co-phàirtean gluasadach.
– Gluasad teas tro eadar-dhealachadh mòr ann an teòthachd, mar eisimpleir teas bho sheòmar losgaidh mòran nas teotha gu lionn obrach; bidh an seòrsa gluasaid seo a’ toirt a-mach entropy nas motha na pròiseas air leth freagarrach.
– Aimhreit agus call cuideim ann an sruthadh lionn ann am pìoban, bhalbhaichean agus roth-uidheaman.
– Measgachadh neo-atharrachail de ghas is èadhar no thoraidhean losgaidh.
– Tha losgadh fhèin na phròiseas nach gabh a thionndadh air ais.
Bidh na rudan seo uile ag àrdachadh an entropy iomlan agus a’ “cleachdadh” a’ chomas obair a dhèanamh, agus mar sin bidh èifeachdas a’ lùghdachadh.
Tagradh ann an einnseanan losgaidh a-staigh agus ionadan cumhachd smùide
Ann an einnseanan losgaidh a-staigh (leithid einnseanan gasoline agus dìosail), thig an stòr teas bhon ath-bhualadh losgaidh taobh a-staigh an t-siolandair. Bidh an t-einnsean a’ gabhail a-steach teas (gu h-èifeachdach) aig teòthachd àrd rè losgadh, agus an uairsin a’ diùltadh an teas tron ghas sgapaidh agus an siostam fuarachaidh (rèididheator). Tha an Dàrna Lagh a’ mìneachadh carson a bhios einnseanan charbadan an-còmhnaidh a’ toirt a-mach meudan mòra de theas sgudail: tha e do-dhèanta lùth a’ chonnaidh gu lèir a thionndadh gu obair shailean.
Ann an ionad cumhachd-smùide (PLTU), bidh uisge air a theasachadh gu bhith na smùid àrd-bhruthadh gus roth-uidheam a thionndadh. Às deidh dha a dhol tron roth-uidheam, bidh an smùid air fhuarachadh ann an co-dhlùthadair gus tilleadh gu uisge agus faodar a phumpadh a-rithist. Bidh an co-dhlùthadair seo ag obair mar stòr-tasgaidh fuar. Tha mòran dhaoine den bheachd gur e “sgudal lùtha” a th’ anns a’ cho-dhlùthadair, ach gu teirmeadaineamach, tha sgaoileadh teas na riatanas airson gum bi an cearcall a’ leantainn agus airson nach bi entropy iomlan a’ briseadh an Dàrna Lagh. Mar sin, mar as trice bidh PLTUn air an togail faisg air stòran uisge mòra airson fuarachadh, no bidh iad a’ cleachdadh thùir fuarachaidh.
Ro-innleachdan Leasachaidh Coileanaidh stèidhichte air an Dàrna Lagh
Leis gu bheil an Dàrna Lagh a’ cur crìochan an sàs, tha leasachaidhean air einnseanan teas ag amas air neo-atharrachadh a lùghdachadh agus an raon teòthachd èifeachdach a leudachadh. Seo cuid de na ro-innleachdan cumanta:
– Ro-theasachadh agus ath-theasachadh ann an cearcall Rankine (PLTU) gus teòthachd in-ghabhail an roth-uidheam àrdachadh.
– Ath-ghineadh (teasadair uisge beatha) gus teas sgudail a chleachdadh gus uisge beatha a theasachadh, a’ lughdachadh riatanasan teas a’ choireadair.
– Cearcall co-mheasgaichte (cearcall gas-smùide co-mheasgaichte), far a bheilear a’ cleachdadh teas an sgaoilidh bho roth-uidheam gas gus smùid a chruthachadh a bhios a’ stiùireadh roth-uidheam smùide. Bidh seo a’ leasachadh cleachdadh lùth teas agus a’ toirt an siostam nas fhaisge air na crìochan èifeachdais nas àirde aige.
– Stuthan nas fheàrr gus am bi e comasach do phàirtean obrachadh aig teòthachd nas àirde gun mhilleadh, agus mar sin Tₕ a mheudachadh.
– Lùghdaich suathadh agus call sruthadh tro dhealbhadh aerodynamic roth-uidheam, lubrication nas fheàrr, agus leasachadh slighe lionn.
Tha na h-oidhirpean seo uile gu ìre mhòr nan tagraidhean practaigeach den Dàrna Lagh: a bhith a’ riaghladh entropy agus a’ casg cinneasachadh entropy gus an gabh barrachd lùth teas a thionndadh gu obair.
Co-dhùnadh
Tha cur an Dàrna Lagh Teirmeadainimigeach an sàs ann an einnseanan teas a’ nochdadh crìoch bhunasach nach urrainn do theicneòlas sam bith faighinn thairis air: chan urrainn do einnsean sam bith a h-uile teas a thionndadh gu obair ann an aon chearcall. Chan e dìreach lochd dealbhaidh a th’ ann an làthaireachd stòran fuar agus sincichean teas, ach builean dìreach air stiùireadh nàdarra a’ phròiseis agus an àrdachadh ann an entropy. Tro bhun-bheachdan èifeachdais, crìoch Carnot, agus mion-sgrùdadh neo-atharrachail, tha an Dàrna Lagh a’ toirt seachad stiùireadh bunasach airson einnseanan nas èifeachdaiche a dhealbhadh - bho einnseanan chàraichean gu ionadan cumhachd mòra. Le bhith a’ tuigsinn an Dàrna Lagh, chan e a-mhàin gu bheil fios againn “carson a tha èifeachdas cuibhrichte” ach cuideachd “càite an leasaich sinn” gus einnseanan teas a thoirt nas fhaisge air a’ choileanadh as fheàrr a tha ceadaichte le nàdar.
