Para explicar os procesos termodinámicos 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:
Naturalmente, a calor móvese dos obxectos de alta temperatura aos obxectos de baixa temperatura; naturalmente, a calor non procede dos obxectos de baixa temperatura aos obxectos de alta temperatura (segunda lei da termodinámica: enunciado de Clausius).
O enunciado de Clausius é un dos enunciados especiais da segunda lei da termodinámica. Chámase enunciado especial porque só se aplica a un proceso, o relacionado coa transferencia de calor. Dado que este enunciado non está relacionado con outros procesos, necesitamos un enunciado máis xeral. O desenvolvemento dun enunciado xeral da segunda lei da termodinámica baséase no estudo dos motores térmicos. Polo tanto, primeiro falaremos da calor do motor.
Motor térmico
Gran parte da enerxía que usamos provén da enerxía potencial química contida no petróleo, o gas e o carbón. A enerxía potencial química aplicada para ser utilizada directamente debe queimarse primeiro. Normalmente, a queima de combustibles fósiles (petróleo, gas e carbón) produce calor. A calor pódese usar directamente para cociñar alimentos, quentar habitacións. Para mover algo (como mover un vehículo), debemos converter a calor en enerxía cinética ou enerxía mecánica (enerxía mecánica = enerxía potencial + enerxía cinética).
En 1700 descubriuse unha ferramenta que usaba a calor para realizar traballo. Era unha máquina de vapor. A máquina de vapor utilizouse por primeira vez para bombear auga dunha mina de carbón.
O uso das máquinas de vapor débese a que o vapor pode mover cousas. As máquinas de vapor inclúen un motor térmico (un motor térmico é unha ferramenta para converter a calor en enerxía mecánica). Agora a máquina de vapor úsase para xerar enerxía eléctrica. Os motores térmicos modernos son motores de combustión interna, como os motores de automóbiles, os motores de motocicletas, etc.
A idea básica que subxace ao uso dos motores térmicos é que a calefacción pode converterse en enerxía mecánica se se permite que a calor flúa de altas temperaturas a baixas temperaturas. Durante este proceso, parte da calor convértese en enerxía mecánica (parte da calor úsase para realizar o traballo), parte da calor libérase en lugares de baixa temperatura. O proceso de cambio de forma da enerxía e transferencia de enerxía no motor térmico ten o aspecto deste diagrama.
Temperatura alta (TH) e baixa temperatura (TL) denomínanse temperatura de funcionamento da máquina. QH é a calor que flúe desde a alta temperatura, mentres que QL é a calor que flúe cara a un lugar de baixa temperatura. Cando flúe de altas temperaturas a baixas temperaturas, parte da calor convértese en enerxía mecánica (usada para traballar), parte da calor elimínase como QLNon se pode transformar toda a calor en traballo (W), sempre hai calor que se libera (QL). Polo tanto, baseándose na conservación da enerxía, QH = W + QL.
Existen varios motores térmicos, incluíndo os motores de vapor e os motores de combustión interna.
Máquina de vapor
As máquinas de vapor usan vapor de auga como medio de transferencia de calor. O vapor é un fluído de traballo. Hai dous tipos de máquinas de vapor: as máquinas de vapor alternas e as máquinas de vapor de turbina. O deseño deste motor é diferente, pero estes dous tipos de máquinas de vapor usan vapor que se quenta queimando petróleo, gas, carbón ou usando enerxía nuclear.
Motores de combustión interna
Os motores de motocicleta e os motores de automóbiles son exemplos de motores de combustión interna. Chámanse motores de combustión interna porque o proceso de combustión ocorre dentro de cilindros pechados. A presenza dun motor de combustión interna é o resultado do concepto de enxeñaría de compresión e expansión adiabáticas.
Eficiencia do motor térmico
A eficiencia do motor térmico (e) é unha comparación entre o traballo (W) realizado pola máquina cunha entrada de calor a alta temperatura (QH ).
W é a ganancia recibida, mentres que Q H é o custo incorrido para mercar e queimar combustible. Como seres humanos que sempre queremos obter o máximo beneficio e o menor gasto, agardamos que o aumento do beneficio (W) sexa proporcional ao custo que gastamos (Q H ). Podería ocorrer?
Segundo a conservación da enerxía, a calor (Q H ) debe ser igual ao traballo (W) + a calor liberada (Q L ).
Substitúese W na ecuación 1 por W na ecuación 2
Esta é a ecuación da eficiencia dun motor térmico.
Pregunta 1:
Un motor térmico absorbe 3000 joules (Q H ) de calor, realiza un traballo (W) e elimina 2500 joules (Q L ) de calor. Calcula a eficiencia térmica do motor.
solución
Eficiencia do motor térmico = 17 %.
Pregunta 2:
Un motor térmico absorbe 3000 Joules de calor (Q H ), realiza un traballo (W) e elimina 2000 Joules de calor (Q L ). Calcula a eficiencia do motor térmico.
solución
Eficiencia do motor térmico = 34 %.
Pregunta 3:
Un motor térmico absorbe 3000 joules de calor (Q H ), realiza un traballo (W) e desprende ata 1500 joules de calor (Q L ). Calcula a eficiencia dun motor térmico?
solución
Eficiencia do motor térmico = 50 %.
