Kev Siv Txoj Cai Thib Ob ntawm Thermodynamics rau Cov Cav Kub
Lub cav cua sov yog ib qho ntawm cov khoom tsim tshiab tshaj plaws hauv keeb kwm ntawm thev naus laus zis vim nws tso cai rau tib neeg hloov lub zog thermal mus rau hauv cov haujlwm siv tau zoo. Txij li cov cav pa dej ntawm Kev Hloov Pauv Kev Lag Luam mus rau cov roj turbines thiab cov cav sib xyaw sab hauv hauv cov tsheb niaj hnub no, lub tswv yim yooj yim ntawm lub cav cua sov tseem zoo li qub: qhov chaw cua sov, lub dab dej cua sov, thiab cov haujlwm tsim tawm. Tab sis txhua qhov cua sov puas tuaj yeem hloov mus ua haujlwm 100% ntawm lub sijhawm? Vim li cas thiaj li muaj "kev poob" uas tsis zam tau? Cov lus teb nyob hauv Txoj Cai Thib Ob ntawm Thermodynamics. Txoj cai no tsis yog tsuas yog txoj cai theoretical xwb, tab sis yog qhov txwv tseem ceeb uas txiav txim siab tias lub cav cua sov tuaj yeem ua haujlwm tau zoo npaum li cas thiab nws yuav tsum tsim li cas.
Kev Txheeb Xyuas Txog Cov Cav Kub
Hais yooj yim xwb, lub cav cua sov yog ib lub tshuab uas ua haujlwm ib puag ncig los hloov qee lub zog cua sov uas nkag los ua haujlwm. Hauv ib lub voj voog, lub cav nqus cua sov los ntawm lub thawv kub (piv txwv li, kev hlawv roj lossis lub tshuab hluav taws xob nuclear), tsim cov haujlwm (piv txwv li, tig lub qhov), thiab tom qab ntawd tsis lees txais cov cua sov seem mus rau lub thawv txias (piv txwv li, cua sab nraud lossis dej txias). Peb yam no—lub thawv kub, lub cav, thiab lub thawv txias—yeej ib txwm muaj nyob hauv lub cav cua sov tiag tiag.
Yog tias peb siv cov cim qhia dav dav:
- Lub tshuab nqus cua sov los ntawm qhov chaw cua sov uas muaj Qₕ (qhov nkag cua sov).
- Lub tshuab ua haujlwm ntawm W.
- Lub tshuab tso cua sov rau ib puag ncig lossis qhov chaw txias hauv qhov ntau ntawm Q𝑐.
Raws li Txoj Cai Thawj Zaug ntawm Thermodynamics (kev txuag hluav taws xob), siv tau rau:
Qₕ = W + Q𝑐
Qhov no txhais tau hais tias cov haujlwm tsim tawm yog qhov sib txawv ntawm cov cua sov nkag thiab cov cua sov poob. Txawm li cas los xij, Txoj Cai Thawj tsis piav qhia vim li cas Q𝑐 tsis tuaj yeem yog xoom. Qhov no yog qhov uas Txoj Cai Thib Ob ua lub luag haujlwm tseem ceeb.
Cov Lus Qhia Txog Txoj Cai Thib Ob ntawm Thermodynamics
Txoj Cai Thib Ob ntawm Thermodynamics tuaj yeem hais tau ntau daim ntawv sib npaug, tab sis ob kab lus tseem ceeb tshaj plaws rau cov cav cua sov yog:
1. Cov lus qhia ntawm Kelvin-Planck:
Nws tsis yooj yim sua kom tsim tau lub cav cua sov uas ua haujlwm hauv ib lub voj voog thiab hloov tag nrho cov cua sov uas nqus los ntawm ib lub pas dej mus rau hauv kev ua haujlwm yam tsis muaj kev tsis lees txais cua sov mus rau lwm lub pas dej.
Hauv lwm lo lus, nws tsis yooj yim sua kom lub cav cua sov muaj 100% kev ua haujlwm.
2. Cov lus ntawm Clausius:
Nws tsis yooj yim sua kom cua sov hloov ntawm ib yam khoom txias mus rau ib yam khoom kub yam tsis muaj kev ua haujlwm sab nraud.
Qhov no piav qhia vim li cas cov tub yees / ACs xav tau lub zog hluav taws xob: kom "yuam" cua sov kom txav mus rau nws qhov kev taw qhia ntuj.
Ob kab lus no piav qhia txog ib lub ntsiab cai: cov txheej txheem ntuj tsim muaj kev coj ua (tsis rov qab tau), thiab muaj cov kev txwv tseem ceeb rau kev hloov pauv lub zog cua sov mus ua lub zog muaj txiaj ntsig.
Entropy thiab Kev Taw Qhia Txog Txheej Txheem
Ib lub tswv yim tseem ceeb uas tawm los ntawm Txoj Cai Thib Ob yog entropy (S), ib qho ntau uas feem ntau nkag siab tias yog kev ntsuas ntawm kev faib tawm ntawm lub zog lossis qib ntawm kev tsis sib haum xeeb, txawm hais tias nws cov lus txhais thermodynamic yog formal dua. Rau cov txheej txheem rov qab tau, qhov kev hloov pauv hauv entropy yog txhais tias:
dS = δQ_rev / T
Txoj Cai Thib Ob hais tias rau ib qho system cais, tag nrho cov entropy yeej tsis txo qis:
ΔS_tag nrho ≥ 0
Hauv cov ntsiab lus ntawm lub cav cua sov, thaum cua sov ntws los ntawm qhov chaw kub mus rau qhov chaw txias, tag nrho cov entropy feem ntau nce. Rau lub cav tsim kev ua haujlwm, nws siv qhov "ntws" ntawm lub zog cua sov no, tab sis nws tseem yuav tsum ua raws li qhov yuav tsum tau ua kom tag nrho cov entropy yuav tsum tsis txhob txo qis. Yog li ntawd, qee qhov cua sov yuav tsum raug tsis lees paub mus rau lub pas dej txias. Qhov kev tsis lees paub no tsis yog tsuas yog kev poob qis xwb, tab sis yog qhov yuav tsum tau ua kom tau raws li qhov yuav tsum tau ua kom tau raws li entropy.
Kev Ua Haujlwm Zoo ntawm Lub Cav Kub thiab Carnot Limit
Qhov ua haujlwm thermal ntawm lub cav cua sov yog txhais tias yog qhov sib piv ntawm cov haujlwm tsim tawm rau cov cua sov uas nqus los ntawm qhov chaw cua sov:
η = W / Qₕ = (Qₕ − Q𝑐) / Qₕ = 1 − (Q𝑐 / Qₕ)
Txoj Cai Thib Ob txwv qhov siab tshaj plaws ntawm η. Lub cav cua sov zoo tshaj plaws yog lub cav Carnot, lub cav zoo tagnrho uas ua haujlwm rov qab ntawm ob lub pas dej ntawm qhov kub Tₕ (kub) thiab T𝑐 (txias) hauv Kelvin. Qhov siab tshaj plaws ntawm Carnot efficiency yog muab los ntawm:
η_Carnot = 1 − (T𝑐 / Tₕ)
Cov qauv no qhia ob yam tseem ceeb:
1. Qhov ua tau zoo tshaj plaws tsuas yog nyob ntawm qhov kub ntawm lub thawv xwb, tsis yog nyob ntawm hom kua ua haujlwm lossis cov ntsiab lus tsim cav.
2. Rau ua kom muaj txiaj ntsig zoo dua, peb yuav tsum nce Tₕ lossis txo T𝑐. Txawm li cas los xij, ob qho tib si raug txwv los ntawm cov ntaub ntawv, kev nyab xeeb, tus nqi, thiab cov xwm txheej ib puag ncig.
Piv txwv li: yog tias Tₕ = 900 K thiab T𝑐 = 300 K, ces:
η_Carnot = 1 − 300/900 = 1 − 1/3 = 0,667 (66,7%)
Qhov no yog qhov txwv zoo tagnrho. Cov cav tiag tiag yuav muaj kev ua haujlwm qis dua vim yog kev sib txhuam, kev poob cua sov, kev sib xyaw tsis tiav, thiab lwm yam uas tsis tuaj yeem rov qab tau.
Kev Tsis Rov Qab Tau Hauv Cov Tshuab Tiag Tiag
Txoj Cai Thib Ob kuj piav qhia vim li cas cov cav tiag tiag yeej tsis ua tiav Carnot efficiency. Qhov ua rau tseem ceeb yog qhov tsis rov qab tau, uas yog cov txheej txheem uas tsim entropy. Qee qhov chaw ntawm qhov tsis rov qab tau hauv cov cav cua sov suav nrog:
- Kev sib txhuam ntawm cov shafts, bearings thiab cov khoom txav mus los.
- Kev hloov pauv cua sov los ntawm qhov sib txawv ntawm qhov kub thiab txias loj, piv txwv li cua sov los ntawm lub chamber kub dua mus rau cov kua dej ua haujlwm; hom kev hloov pauv no tsim cov entropy ntau dua li cov txheej txheem zoo tagnrho.
- Kev ntxhov siab thiab kev poob siab hauv cov kua dej ntws hauv cov kav dej, cov li qub thiab cov turbines.
- Kev sib xyaw tsis rov qab ntawm cov roj thiab cua lossis cov khoom sib xyaw.
- Kev hlawv nws tus kheej yog ib qho txheej txheem uas tsis tuaj yeem rov qab tau.
Tag nrho cov no ua rau tag nrho cov entropy nce thiab "siv" lub peev xwm los tsim haujlwm, yog li kev ua haujlwm txo qis.
Daim Ntawv Thov Hauv Cov Cav Sib Tsoo Sab Hauv Thiab Cov Chaw Tsim Hluav Taws Xob Chav
Hauv cov cav sib xyaw sab hauv (xws li roj av thiab diesel cav), qhov cua sov los ntawm cov tshuaj sib xyaw sab hauv lub tog raj kheej. Lub cav nqus cua sov (zoo) ntawm qhov kub siab thaum lub sijhawm sib xyaw, tom qab ntawd tsis lees txais cua sov los ntawm cov pa tawm thiab lub tshuab cua txias (radiator). Txoj Cai Thib Ob piav qhia vim li cas cov cav tsheb tsim cov cua sov pov tseg ntau heev: nws tsis yooj yim sua kom hloov tag nrho cov roj lub zog mus rau hauv kev ua haujlwm ntawm lub qhov.
Hauv lub tshuab cua sov uas siv zog los ntawm cov pa dej (PLTU), dej raug cua sov ua kom sov ua cov pa dej siab kom tig lub turbine. Tom qab dhau los ntawm lub turbine, cov pa dej raug txias hauv lub condenser kom rov qab mus rau dej thiab tuaj yeem raug twj dua. Lub condenser no ua haujlwm ua lub chaw khaws dej txias. Muaj ntau tus neeg xav tias lub condenser yog "kev pov tseg lub zog," tab sis thermodynamically, kev tshem tawm cua sov yog qhov yuav tsum tau ua rau lub voj voog txuas ntxiv mus thiab rau tag nrho entropy kom tsis txhob ua txhaum Txoj Cai Thib Ob. Yog li ntawd, PLTUs feem ntau yog tsim nyob ze ntawm cov chaw dej loj rau kev txias, lossis siv cov pej thuam txias.
Cov Tswv Yim Txhim Kho Kev Ua Haujlwm Raws Li Txoj Cai Thib Ob
Vim tias Txoj Cai Thib Ob muab kev txwv, kev txhim kho rau cov cav cua sov tsom mus rau kev txo qhov tsis rov qab tau thiab nthuav dav qhov kub thiab txias zoo. Qee cov tswv yim feem ntau suav nrog:
- Kev ua kom sov thiab rov ua kom sov dua hauv lub voj voog Rankine (PLTU) kom ua rau qhov kub ntawm lub turbine nkag mus nce ntxiv.
- Kev tsim kho dua tshiab (lub tshuab cua sov dej pub) siv cov cua sov pov tseg los ua kom dej pub sov, txo qhov xav tau cua sov ntawm lub boiler.
- Lub voj voog ua ke (lub voj voog roj-pas ua ke), qhov twg cov cua sov pov tseg lub cav roj siv los tsim cov pa dej uas tig lub cav turbine. Qhov no ua rau kev siv ntau ntxiv lub zog cua sov thiab coj lub kaw lus los ze zog rau cov kev txwv ua haujlwm siab dua.
- Kev txhim kho cov khoom siv kom cov khoom siv ua haujlwm tau zoo kub dua tsis muaj kev puas tsuaj, yog li ntawd Tₕ nce ntxiv.
- Txo kev sib txhuam thiab kev poob dej ntws los ntawm kev tsim qauv turbine aerodynamic, kev siv lubrication zoo dua, thiab kev ua kom zoo dua ntawm txoj kev kua.
Tag nrho cov kev siv zog no yog qhov tseem ceeb ntawm Txoj Cai Thib Ob: tswj hwm entropy thiab tswj hwm entropy ntau lawm kom ntau lub zog cua sov tuaj yeem hloov pauv mus ua haujlwm.
Xaus
Kev siv Txoj Cai Thib Ob ntawm Thermodynamics rau cov cav cua sov qhia txog qhov txwv tseem ceeb uas tsis muaj thev naus laus zis twg kov yeej tau: tsis muaj cav twg tuaj yeem hloov tag nrho cov cua sov mus ua haujlwm hauv ib lub voj voog. Qhov muaj cov chaw khaws dej txias thiab cov dab dej cua sov tsis yog tsuas yog qhov tsis zoo ntawm kev tsim qauv xwb, tab sis yog qhov tshwm sim ncaj qha ntawm kev coj ua ntawm cov txheej txheem thiab kev nce hauv entropy. Los ntawm cov tswv yim ntawm kev ua haujlwm zoo, Carnot txwv, thiab kev tshuaj xyuas ntawm kev tsis rov qab tau, Txoj Cai Thib Ob muab cov lus qhia tseem ceeb rau kev tsim cov cav ua haujlwm zoo dua - los ntawm cov cav tsheb mus rau cov chaw tsim hluav taws xob loj. Los ntawm kev nkag siab Txoj Cai Thib Ob, peb tsis yog tsuas paub "vim li cas kev ua haujlwm zoo thiaj li txwv" tab sis kuj "qhov twg yuav txhim kho" kom coj cov cav cua sov ze rau qhov kev ua tau zoo tshaj plaws uas tso cai los ntawm xwm.
