Artigo sobre a Segunda Lei da Termodinámica
Todos os procesos que ocorren de forma natural ocorren nunha soa dirección, pero non poden ocorrer na dirección oposta, o que se coñece comunmente como procesos irreversibles. Despois de liberarse do seu talo e caer libremente ao chan, unha manga nunca volve subir. Un libro que empurramos e logo paramos nunca volve cara a nós. Se tocamos un obxecto a alta temperatura (obxecto quente) cun obxecto a baixa temperatura (obxecto frío), a calor flúe naturalmente do obxecto a alta temperatura ao obxecto a baixa temperatura. Nunca vemos o proceso inverso, onde a calor se move naturalmente dun obxecto frío a un obxecto quente. Se este proceso ocorrese, o obxecto frío arrefriaríase, mentres que o obxecto quente quentaríase. Pero en realidade, non é así. Hai moitos procesos irreversibles que parecen diferentes entre si, pero todos implican cambios na forma de enerxía e a transferencia de enerxía dun obxecto a outro.
Por exemplo, hai un terremoto potente que provoca o colapso de edificios (os edificios colapsan debido á enerxía transportada polas ondas sísmicas). Viches algunha vez cada parte do edificio derrubado volver a unirse e manterse en pé como antes? Ou, por exemplo, un vaso cae ao chan e rompe... Viches algunha vez os fragmentos de vidro esparexidos polo chan volver a unirse e formar un vaso que está enteiro como antes? Nunca pasou... hai moitos outros exemplos.
Para explicar os procesos termodinámicos que ocorren nunha soa dirección (procesos irreversibles), os científicos formularon a segunda lei da termodinámica. A segunda lei da termodinámica explica que procesos poden ocorrer no universo e cales non. Un científico chamado R.J.E. Clausius (1822–1888) fixo a seguinte afirmación:
A calor móvese por si mesma dun obxecto a alta temperatura a un obxecto a baixa temperatura; a calor non se moverá por si mesma dun obxecto a baixa temperatura a un obxecto a alta temperatura (Segunda lei da termodinámica - enunciado de Clausius).
O enunciado de Clausius é un enunciado especial da segunda lei da termodinámica. Chámase enunciado especial porque só se aplica a un proceso, concretamente a transferencia de calor. Dado que este enunciado non se relaciona con outros procesos, necesitamos un enunciado máis xeral. O desenvolvemento do enunciado xeral da segunda lei da termodinámica baseouse en parte no estudo dos motores térmicos. Polo tanto, primeiro falaremos dos motores térmicos.
MOTOR TÉRMICO
Gran parte da enerxía que empregamos provén da enerxía potencial química contida no petróleo, o gas e o carbón. A enerxía potencial química contida no petróleo, o gas ou o carbón non se pode empregar directamente. O petróleo, o gas ou o carbón deben queimarse primeiro. Normalmente, a queima de combustibles fósiles (petróleo, gas e carbón) produce calor. A calor pódese usar directamente para cociñar alimentos e quentar unha habitación. Para mover algo (por exemplo, para mover un vehículo), debemos converter a calor en enerxía cinética ou enerxía mecánica (enerxía mecánica = enerxía potencial + enerxía cinética). Converter a enerxía mecánica en calor é un traballo moi sinxelo, pero converter a calor en enerxía mecánica é difícil. Tenta fregar as palmas das mans... as túas palmas están quentes, non si? Cando fregamos as palmas das mans (facemos traballo), a enerxía mecánica convértese en calor. O proceso é moi sinxelo... Incluso se pode producir calor infinito facendo traballo. Pero o proceso inverso, é dicir, usar a calor para facer traballo, é difícil.
Un dispositivo empregado para aproveitar a calor para realizar traballo non se inventou ata o ano 1700. O dispositivo en cuestión era a máquina de vapor. As máquinas de vapor utilizáronse por primeira vez para bombear auga das minas de carbón. É importante ter en conta que o primeiro uso das máquinas de vapor ocorreu antes de que os científicos soubesen que a calor é en realidade enerxía transferida debido a diferenzas de temperatura (a primeira lei da termodinámica aínda non se formulara).
O uso de máquinas de vapor naquela época probablemente baseábase na experiencia cotiá que demostraba que o vapor podía mover cousas. As máquinas de vapor considéranse máquinas térmicas (un motor térmico = un dispositivo para converter a calor en enerxía mecánica). Hoxe en día, as máquinas de vapor utilízanse para xerar enerxía eléctrica. Os motores térmicos modernos son motores de combustión interna (motores de automóbiles, motores de motocicletas, etc.).
A idea básica que subxace ao uso dun motor térmico é que a calor só se pode converter en enerxía mecánica se se lle permite fluír dunha rexión de alta temperatura a unha rexión de baixa temperatura. Durante este proceso, parte da calor convértese en enerxía mecánica (parte da calor utilízase para realizar traballo), mentres que outra parte da calor se rexeita á rexión de baixa temperatura. O proceso de conversión e transferencia de enerxía nun motor térmico móstrase no diagrama.
Temperatura alta (TH) e baixa temperatura (TL) tamén se denomina temperatura de funcionamento do motor. A calor que flúe dun lugar a alta temperatura recibe o símbolo QH, mentres que a calor que se libera a un lugar de baixa temperatura recibe o símbolo QL. Ao flúe dun lugar de alta temperatura a un lugar de baixa temperatura, algunha QH convértese en enerxía mecánica (usada para realizar traballo), parte dela libérase como QLDe feito, esperamos que todos os QH pódese converter en W, pero a experiencia cotiá demostra que isto é imposible. Sempre se perde algo de calor. Polo tanto, baseándose na conservación da enerxía, pódese concluír que QH = W + QL.
Agora revisemos un motor térmico que se emprega habitualmente para converter a calor en enerxía mecánica. É importante ter en conta que só estamos a considerar os motores térmicos que realizan un traballo continuo. Para que o traballo se realice de forma continua, a calor debe fluír continuamente dunha rexión de alta temperatura a unha rexión de baixa temperatura. Se a calor só flúe unha vez, o traballo realizado polo motor térmico tamén se realizará só unha vez (a enerxía mecánica producida será moi pequena). Polo tanto, o motor térmico non se pode utilizar de forma óptima. Un motor térmico pódese utilizar de forma óptima se realiza un traballo de forma continua. Noutras palabras, a enerxía mecánica producida polo motor térmico é suficiente para ser utilizada para mover algo.
Máquina de vapor
As máquinas de vapor usan vapor de auga como medio de transferencia de calor. O vapor denomínase a substancia de traballo dunha máquina de vapor. Hai dous tipos de máquinas de vapor: as máquinas de vapor alternativas e as máquinas de vapor de turbina (turbinas de vapor). Os seus deseños difiren lixeiramente, pero ambos os tipos comparten semellanzas: usan vapor quentado pola queima de petróleo, gas, carbón ou enerxía nuclear.
Máquina de vapor de tipo alternativo
A auga nun recipiente adoita quentarse a alta presión. Debido a que se quenta a alta presión, o proceso de ebulición ocorre a unha temperatura elevada. A temperatura é directamente proporcional á presión. Canto maior sexa a temperatura do vapor, maior será a presión de vapor. Este vapor de alta temperatura ou alta presión móvese a través da válvula de entrada e expándese contra o pistón. A medida que se expande, o vapor empurra o pistón, facendo que se mova cara á dereita.
Parte da calor do vapor convértese en enerxía cinética. Cando o pistón se move cara á dereita, a roda conectada a el xira (1). Despois de media volta, a roda empurra o pistón de volta á súa posición orixinal (2). Cando o pistón se move cara á esquerda, a válvula de entrada péchase automaticamente, mentres que a válvula de escape ábrese automaticamente. O vapor condénsase no condensador, converténdose en orballo. A continuación, a auga do condensador bombease de volta ao recipiente para que volva fervela. E así sucesivamente... Debido a que o proceso ocorre repetidamente, o pistón móvese cara á dereita e cara á esquerda continuamente. Debido a que o pistón se move cara á dereita e cara á esquerda continuamente, a roda tamén xira continuamente. A rotación da roda adoita usarse para mover algo.
Turbina de vapor
O principio de funcionamento dunha turbina de vapor é esencialmente o mesmo que o dunha máquina de vapor alternativa. A diferenza é que unha máquina de vapor alternativa usa un pistón, mentres que unha turbina de vapor usa unha turbina. Nunha máquina de vapor alternativa, a calor convértese primeiro en enerxía cinética de translación do pistón. Despois diso, a enerxía cinética de translación do pistón convértese en enerxía cinética de rotación da roda xiratoria. Nunha turbina de vapor, a calor convértese directamente en enerxía cinética de rotación da turbina. A turbina pode xirar debido a unha diferenza de presión. A temperatura do vapor por riba da lámina é moito maior que a temperatura do vapor debaixo da lámina. A lámina é unha placa delgada situada no centro da turbina. A temperatura é directamente proporcional á presión. Debido a que a temperatura do vapor por riba da lámina é maior que a temperatura do vapor debaixo da lámina, a presión do vapor por riba da lámina é maior que a presión debaixo da lámina. Esta diferenza de presión fai que o vapor empurre a lámina cara abaixo, facendo que a turbina xire. A dirección da rotación da turbina móstrase na figura.
É importante ter en conta que o principio de funcionamento dunha máquina de vapor baséase no diagrama de transferencia de enerxía explicado anteriormente. Neste caso, a enerxía mecánica pódese xerar permitindo que a calor flúa desde un obxecto ou lugar con alta temperatura a un obxecto ou lugar con baixa temperatura. Polo tanto, unha diferenza de temperatura é esencial nunha máquina de vapor.
Se prestas atención a como funciona unha máquina de vapor alternativa, notarás que o pistón aínda pode moverse á esquerda e á dereita mesmo sen diferenza de temperatura (non hai condensador nin bomba). O pistón pode moverse á dereita debido á expansión do vapor a alta temperatura ou alta presión. Neste caso, parte da calor do vapor convértese en enerxía cinética de translación do pistón. Esta enerxía cinética de translación do pistón convértese entón en enerxía cinética de rotación da roda que xira. Despois de completar media volta, a roda empurra o pistón cara á esquerda. Cando a roda empurra o pistón cara á esquerda, a enerxía cinética de rotación da roda convértese de novo en enerxía cinética de translación do pistón. A medida que o pistón se move cara á esquerda, expulsa o vapor do cilindro. Ao mesmo tempo, ábrese a válvula de escape.
Así, o vapor empuxado polo pistón empurrará o seu compañeiro debaixo da válvula de escape. Agora, se a temperatura do vapor debaixo da válvula de escape é igual á temperatura do vapor empuxado polo pistón, entón toda a enerxía cinética de translación do pistón converterase de novo na enerxía interna do vapor. A enerxía interna é directamente proporcional á temperatura. Se a enerxía interna do vapor aumenta, a temperatura do vapor aumenta. A temperatura é directamente proporcional á presión. Se a temperatura do vapor aumenta, a presión do vapor tamén aumenta. Así, a presión do vapor liberado a través da válvula de escape é igual á presión do vapor que entra pola válvula de entrada. O pistón continuará movéndose á dereita e á esquerda continuamente, pero non haberá enerxía cinética total que se poida utilizar (non se producirá traballo total). Polo tanto, a enerxía cinética recibida polo pistón durante o proceso de expansión (o pistón móvese á dereita) devolverase ao vapor durante o proceso de compresión (o pistón móvese á esquerda).
Chégase á conclusión de que unha diferenza de temperatura nunha máquina de vapor segue sendo necesaria. Esta diferenza de temperatura nunha máquina de vapor pódese conseguir utilizando un condensador. Cando a temperatura e a presión do vapor debaixo da válvula de escape son moito máis baixas que a temperatura e a presión do vapor no cilindro, entón cando o pistón se move cara á esquerda, a cantidade de presión que o pistón exerce sobre o vapor é moito menor que a cantidade de presión que o vapor exerce sobre o pistón cando o pistón se move cara á dereita. Noutras palabras, a cantidade de traballo que o pistón fai sobre o vapor é moito menor que a cantidade de traballo que o vapor fai sobre o pistón. Polo tanto, só unha pequena parte da enerxía cinética do pistón se devolve ao vapor. Polo tanto, haberá enerxía cinética total ou traballo total producido. Esta enerxía cinética total utilízase para mover algo.
Motor de combustión interna
Os motores de motocicletas e automóbiles son exemplos de motores de combustión interna. Chámanse motores de combustión interna porque o proceso de combustión ocorre dentro dun cilindro pechado. Os motores de combustión interna son o resultado da enxeñaría do concepto de compresión e expansión adiabáticas, explicado na primeira lei da termodinámica.
Só consideraremos os motores de combustión interna que usan gasolina e diésel como combustible. A gasolina e o diésel son produtos do petróleo e, polo tanto, posúen enerxía potencial química. A enerxía potencial química da gasolina e do diésel convértese primeiro en calor mediante o proceso de combustión. A calor producida a través da combustión convértese despois en enerxía mecánica. Esta enerxía mecánica é o que permite que unha motocicleta ou un coche se mova. O ciclo nun motor de gasolina chámase ciclo Otto, mentres que o ciclo nun motor diésel chámase ciclo diésel. Un ciclo é un proceso termodinámico reversible. Primeiro imos falar do ciclo Otto.
Ciclo de Otto
Este é un diagrama dun motor de combustión interna de catro tempos. Unha mestura de aire e vapor de gasolina flúe desde o carburador cara ao cilindro mentres o pistón se move cara abaixo (a carreira de admisión). A mestura de aire e vapor de gasolina no cilindro comprímese entón adiabaticamente mentres o pistón se move cara arriba (a carreira de compresión). Debido a que se comprime adiabaticamente, a temperatura e a presión da mestura aumentan. Simultaneamente, a buxía acende a mestura, prendéndoa. A medida que arde, a temperatura e a presión do gas aumentan. O gas a alta temperatura e alta presión expándese contra o pistón, empuxándoo cara abaixo (a carreira de expansión). O gas queimado libérase entón a través da válvula de escape e diríxese cara ao tubo de escape (a carreira de escape). A válvula de admisión ábrese de novo e repítense os catro tempos.
É importante ter en conta que o propósito da fase de compresión adiabática é aumentar a temperatura e a presión da mestura de vapor de aire e gasolina. A combustión a alta presión produce temperaturas e presións moi altas. En consecuencia, o empuxe (F = PA) xerado durante o proceso de expansión é moi grande. Isto fai que o motor dunha motocicleta ou dun coche sexa máis potente. Mesmo sen compresión, a mestura de vapor de aire e gasolina pode acenderse cando a buxía produce unha faísca. Non obstante, a temperatura e a presión do gas queimado non son moi altas, polo que o empuxe resultante tamén é pequeno. Como resultado, o motor vólvese menos potente.
O proceso de transformación e transferencia de enerxía nun motor de combustión interna de catro tempos pódese explicar do seguinte xeito: durante a combustión, a enerxía potencial química da gasolina e a enerxía do aire convértense en calor. Parte da calor convértese en enerxía mecánica na vara do pistón e na cambota, mentres que outra se libera a través do tubo de escape. A maior parte da enerxía mecánica na vara do pistón e na cambota convértese en enerxía mecánica no vehículo (que move o vehículo), mentres que unha pequena parte se converte en calor. A calor xérase por fricción.
O proceso de expansión e compresión adiabática no ciclo Otto pódese ilustrar co diagrama seguinte. Este diagrama mostra un modelo idealizado dos procesos termodinámicos que ocorren nun motor de combustión interna de gasolina.
Unha mestura de aire e vapor de gasolina entra no cilindro (a). A mestura de aire e vapor de gasolina comprímese entón adiabaticamente (a-b). Obsérvese que o volume do cilindro diminúe. A mestura de aire e vapor de gasolina quéntase a un volume constante: a mestura quéimase (b-c). O gas queimado sofre unha expansión adiabática (c-d). Arrefriamento a un volume constante: o gas queimado descárgase ao tubo de escape e unha nova mestura de aire + vapor de gasolina entra no cilindro (d-a).
Unha mestura de aire e vapor de gasolina entra no cilindro (a). A mestura de aire e vapor de gasolina comprímese entón adiabaticamente (a-b). Obsérvese que o volume do cilindro diminúe. A mestura de aire e vapor de gasolina quéntase a un volume constante: a mestura quéimase (b-c). O gas queimado sofre unha expansión adiabática (c-d). Arrefriamento a un volume constante: o gas queimado descárgase ao tubo de escape e unha nova mestura de aire + vapor de gasolina entra no cilindro (d-a).
Ciclo diésel
O principio de funcionamento dun motor diésel é similar ao dun motor de gasolina. A diferenza reside no paso inicial de compresión adiabática (compresión adiabática = compresión que se fai tan rápido que a calor non ten tempo de entrar ou saír do sistema. O sistema neste caso é un cilindro). Mentres que nun motor de gasolina o que se comprime é unha mestura de aire e vapor de gasolina, nun motor diésel só se comprime o aire. A compresión adiabática fai que a temperatura e a presión do aire aumenten. A continuación, o inxector pulveriza diésel. Debido a que a temperatura e a presión do aire xa son moi altas, cando se pulveriza diésel no cilindro, este acéndese inmediatamente. Non se precisa buxía. Observe o valor de presión que se mostra no diagrama seguinte. Compáreo co valor de presión que se mostra no diagrama do ciclo Otto.
Este diagrama mostra un ciclo diésel ideal. Inicialmente, o aire comprímese adiabaticamente (a-b), despois quéntase a presión constante: o inxector pulveriza diésel e prodúcese a combustión (b-c), o gas queimado sofre unha expansión adiabática (c-d), arrefría a un volume constante: o gas queimado expúlsase a través do tubo de escape e entra aire fresco no cilindro (d-a).
Baseándose na explicación anterior, pódese concluír que cada motor térmico ten basicamente unha substancia de traballo específica. A substancia de traballo para un motor de vapor é a auga, a substancia de traballo para un motor de gasolina é o aire e o vapor de gasolina, e a substancia de traballo para un motor diésel é o aire e o diésel. A substancia de traballo adoita absorber calor a unha temperatura alta (Q H ), realiza traballo (W) e despois libera a calor restante a unha temperatura máis baixa (Q L ). Debido a que a enerxía se conserva, entón Q H = W + Q L.
Eficiencia do motor térmico
A eficiencia (e) dun motor térmico é a relación entre o traballo (W) realizado polo motor e a entrada de calor a alta temperatura (Q H ). Matematicamente, pódese escribir así:
W é o beneficio que recibimos, mentres que QH é o custo no que incorremos para mercar e queimar combustible. Como humanos que sempre queremos obter o maior beneficio posible e o menor gasto posible, realmente esperamos que o beneficio que obtemos (W) sexa proporcional ao custo no que incorremos (QH). É iso posible?
Baseándose na conservación da enerxía, a calor de entrada (Q H ) debe ser igual ao traballo (W) realizado + a calor liberada (Q L ). Matematicamente:
Para expresar a eficiencia dun motor térmico como porcentaxe, simplemente multiplique a ecuación de eficiencia por 100 %. Baseándose na ecuación de eficiencia anterior, canta máis calor rexeite (Q L ) un motor térmico, menos eficiente será. Gostaríanos moito ter a menor cantidade de calor rexeitada (Q L ) posible. Non obstante, a entrada de calor (Q H ) adoita obterse queimando petróleo, carbón, gas, etc. (combustibles polos que pagamos).
Polo tanto, cada motor térmico está esencialmente deseñado para ser o máis eficiente posible. Aínda que desexamos o maior beneficio posible co menor gasto posible, a realidade é que as máquinas de vapor adoitan ter unha eficiencia do 40 %, mentres que as máquinas de combustión interna teñen unha eficiencia do 50 %. Isto significa que se desperdicia a metade da calor producida pola queima de combustible. Só a metade se converte en enerxía mecánica.
Pregunta de exemplo 1:
Un motor térmico absorbe 3000 joules de calor (Q H ), realiza un traballo (W) e libera 2500 joules de calor (Q L ). Cal é a eficiencia do motor térmico?
Discusión
Pregunta de exemplo 2:
Un motor térmico absorbe 3000 joules de calor (Q H ), realiza un traballo (W) e libera 2000 joules de calor (Q L ). Cal é a eficiencia do motor térmico?
Discusión
Pregunta de exemplo 3:
Un motor térmico absorbe 3000 joules de calor (Q H ), realiza un traballo (W) e libera 1500 joules de calor (Q L ). Cal é a eficiencia do motor térmico?
Discusión
