Članak o drugom zakonu termodinamike
Svi prirodni procesi odvijaju se samo u jednom smjeru, ali se ne mogu odvijati u suprotnom smjeru, što se obično naziva nepovratnim procesima. Nakon što se otpusti sa stabljike i slobodno padne na tlo, mango se više nikada ne pomiče prema gore. Knjiga koju gurnemo, a zatim zaustavimo, nikada se ne vraća prema nama. Ako dodirnemo objekt visoke temperature (vrući objekt) objektom niske temperature (hladnim objektom), toplina prirodno teče s objekta visoke temperature na objekt niske temperature. Nikada ne vidimo obrnuti proces, gdje se toplina prirodno kreće s hladnog objekta na vrući objekt. Ako bi se ovaj proces dogodio, hladni objekt bi postao hladniji, dok bi vrući objekt postao topliji. Ali u stvarnosti nije tako. Postoje mnogi nepovratni procesi koji se čine različitima jedni od drugih, ali svi uključuju promjene u obliku energije i prijenos energije s jednog objekta na drugi.
Na primjer, dogodi se snažan potres koji uzrokuje urušavanje zgrada (zgrade se ruše zbog energije koju nose valovi potresa). Jeste li ikada vidjeli kako se svaki dio srušene zgrade ponovno sastavi i stoji uspravno kao prije? Ili, na primjer, čaša padne na pod i razbije se... Jeste li ikada vidjeli kako se fragmenti stakla razasuti po podu ponovno sastave i tvore čašu koja je cijela kao prije? Nikada se nije dogodilo... ima mnogo drugih primjera.
Untuk menjelaskan proses termodinamika yang terjadi hanya pada satu arah (proses ireversibel), para ilmuwan merumuskan hukum kedua termodinamika. Hukum kedua termodinamika menjelaskan proses apa saja yang bisa terjadi di alam semesta dan proses apa saja yang tidak bisa terjadi. Salah seorang ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822‐1888) membuat sebuah pernyataan berikut :
Toplina se sama po sebi kreće s objekta visoke temperature na objekt niske temperature; toplina se neće sama po sebi kretati s objekta niske temperature na objekt visoke temperature (Drugi zakon termodinamike – Clausiusova tvrdnja).
Clausiusova tvrdnja je posebna tvrdnja drugog zakona termodinamike. Naziva se posebnom tvrdnjom jer se odnosi samo na jedan proces, naime prijenos topline. Budući da se ova tvrdnja ne odnosi na druge procese, potrebna nam je općenitija tvrdnja. Razvoj opće tvrdnje drugog zakona termodinamike djelomično je bio utemeljen na proučavanju toplinskih motora. Stoga ćemo prvo raspraviti toplinske motore.
TOPLOTNA MAŠINA
Velik dio energije koju koristimo dolazi iz kemijske potencijalne energije sadržane u nafti, plinu i ugljenu. Kemijska potencijalna energija sadržana u nafti, plinu ili ugljenu ne može se izravno koristiti. Nafta, plin ili ugljen prvo se moraju spaliti. Tipično, izgaranjem fosilnih goriva (nafta, plin i ugljen) proizvodi se toplina. Toplina se može izravno koristiti za kuhanje hrane i grijanje prostorije. Da bismo nešto pomaknuli (na primjer, da bismo pomaknuli vozilo), moramo pretvoriti toplinu u kinetičku energiju ili mehaničku energiju (mehanička energija = potencijalna energija + kinetička energija). Pretvaranje mehaničke energije u toplinu vrlo je jednostavan posao, ali pretvaranje topline u mehaničku energiju je teško. Pokušajte protrljati dlanove jedan o drugi... dlanovi su vam vrući, zar ne? Kada trljamo dlanove jedan o drugi (obavljamo rad), mehanička energija se pretvara u toplinu. Proces je vrlo jednostavan... Čak se i beskonačna toplina može proizvesti obavljanjem rada. Ali obrnuti proces, naime korištenje topline za obavljanje rada, je težak.
Uređaj koji se koristio za iskorištavanje topline za obavljanje rada izumljen je tek 1700. godine. Dotični uređaj bio je parni stroj. Parni strojevi prvi su put korišteni za ispumpavanje vode iz rudnika ugljena. Važno je napomenuti da se prva upotreba parnih strojeva dogodila prije nego što su znanstvenici znali da je toplina zapravo energija koja se prenosi zbog temperaturnih razlika (prvi zakon termodinamike još nije bio formuliran).
Upotreba parnih strojeva u to vrijeme vjerojatno se temeljila na svakodnevnom iskustvu koje je pokazivalo da para može pokretati stvari. Parni strojevi smatraju se toplinskim strojevima (toplinski stroj = uređaj za pretvaranje topline u mehaničku energiju). Danas se parni strojevi koriste za proizvodnju električne energije. Moderni toplinski strojevi su motori s unutarnjim izgaranjem (automobilski motori, motori motocikala itd.).
Osnovna ideja iza korištenja toplinskog stroja je da se toplina može pretvoriti u mehaničku energiju samo ako joj se dopusti protok iz područja visoke temperature u područje niske temperature. Tijekom tog procesa, dio topline se pretvara u mehaničku energiju (dio topline se koristi za obavljanje rada), dok se dio topline odbija u područje niske temperature. Proces pretvorbe energije i prijenosa energije u toplinskom stroju prikazan je na dijagramu.
Visoka temperatura (TH) i niska temperatura (TL) se naziva i radna temperatura motora. Toplina koja teče s mjesta visoke temperature označava se simbolom QH, dok se toplina koja se oslobađa na mjesto s niskom temperaturom označava simbolom QL. Prilikom protoka s mjesta visoke temperature na mjesto niske temperature, neki QH pretvara se u mehaničku energiju (koristi se za obavljanje rada), dio se oslobađa kao QLZapravo se stvarno nadamo da će sva QH može se pretvoriti u W, ali svakodnevno iskustvo pokazuje da je to nemoguće. Uvijek se gubi određena količina topline. Dakle, na temelju zakona o očuvanju energije, može se zaključiti da je QH = W + QL.
Sada razmotrimo toplinski stroj koji se obično koristi za pretvorbu topline u mehaničku energiju. Važno je napomenuti da razmatramo samo toplinske strojeve koji obavljaju kontinuirani rad. Da bi se rad obavljao kontinuirano, toplina mora kontinuirano teći iz područja visoke temperature u područje niske temperature. Ako toplina teče samo jednom, rad koji toplinski stroj obavi također će se obaviti samo jednom (proizvedena mehanička energija bit će vrlo mala). Stoga se toplinski stroj ne može optimalno iskoristiti. Toplinski stroj može se optimalno iskoristiti ako kontinuirano obavlja rad. Drugim riječima, mehanička energija koju proizvodi toplinski stroj dovoljna je da se koristi za pomicanje nečega.
Parni stroj
Parni strojevi koriste vodenu paru kao medij za prijenos topline. Para se naziva radnim tijelom parnog stroja. Postoje dvije vrste parnih strojeva: klipni parni strojevi i turbinski parni strojevi (parne turbine). Njihovi se dizajni malo razlikuju, ali obje vrste dijele sličnosti: koriste paru zagrijanu izgaranjem nafte, plina, ugljena ili nuklearne energije.
Klipni parni stroj
Voda u spremniku obično se zagrijava pod visokim tlakom. Budući da se zagrijava pod visokim tlakom, proces vrenja odvija se na visokoj temperaturi. Temperatura je izravno proporcionalna tlaku. Što je viša temperatura pare, to je veći tlak pare. Ova para visoke temperature ili visokog tlaka kreće se kroz ulazni ventil i širi se uz klip. Kako se širi, para gura klip, uzrokujući njegovo pomicanje udesno.
Dio topline u pari pretvara se u kinetičku energiju. Kada se klip pomiče udesno, kotač spojen na klip se okreće (1). Nakon pola okretaja, kotač vraća klip u prvobitni položaj (2). Kada se klip pomiče ulijevo, ulazni ventil se automatski zatvara, dok se ispušni ventil automatski otvara. Para se kondenzira u kondenzatoru, pretvarajući se u rosu. Zatim se voda u kondenzatoru pumpa natrag u posudu da ponovno prokuha. I tako dalje… Budući da se proces ponavlja, klip se kontinuirano pomiče udesno i ulijevo. Budući da se klip kontinuirano pomiče udesno i ulijevo, kotač se također kontinuirano okreće. Rotacija kotača obično se koristi za pomicanje nečega.
Parna turbina
Princip rada parne turbine u biti je isti kao i kod klipnog parnog stroja. Razlika je u tome što klipni parni stroj koristi klip, dok parna turbina koristi turbinu. U klipnom parnom stroju toplina se prvo pretvara u translacijsku kinetičku energiju klipa. Nakon toga, translacijska kinetička energija klipa pretvara se u rotacijsku kinetičku energiju rotirajućeg kotača. U parnoj turbini toplina se izravno pretvara u rotacijsku kinetičku energiju turbine. Turbina se može okretati zbog razlike tlaka. Temperatura pare iznad lopatice je mnogo viša od temperature pare ispod lopatice. Lopatica je tanka ploča smještena u središtu turbine. Temperatura je izravno proporcionalna tlaku. Budući da je temperatura pare iznad lopatice viša od temperature pare ispod lopatice, tlak pare iznad lopatice je veći od tlaka ispod lopatice. Ova razlika tlaka uzrokuje da para gura lopaticu prema dolje, uzrokujući rotaciju turbine. Smjer rotacije turbine prikazan je na slici.
Važno je napomenuti da se princip rada parnog stroja temelji na dijagramu prijenosa energije objašnjenom gore. U ovom slučaju, mehanička energija može se generirati dopuštanjem protoka topline s objekta ili mjesta s visokom temperaturom na objekt ili mjesto s niskom temperaturom. Stoga je temperaturna razlika bitna u parnom stroju.
Ako obratite pozornost na to kako radi klipni parni stroj, primijetit ćete da se klip i dalje može pomicati lijevo i desno iako nema temperaturne razlike (nema kondenzatora ili pumpe). Klip se može pomicati desno zbog širenja pare visoke temperature ili visokog tlaka. U tom slučaju, dio topline u pari pretvara se u translacijsku kinetičku energiju klipa. Ta translacijska kinetička energija klipa zatim se pretvara u rotacijsku kinetičku energiju rotirajućeg kotača. Nakon završetka pola okretaja, kotač gura klip natrag ulijevo. Kada kotač gura klip natrag ulijevo, rotacijska kinetička energija kotača ponovno se pretvara u translacijsku kinetičku energiju klipa. Kako se klip pomiče ulijevo, istiskuje paru u cilindru. Istovremeno se otvara ispušni ventil.
Dakle, para koju potiskuje klip gurnut će svog prijatelja ispod ispušnog ventila. Sada, ako je temperatura pare ispod ispušnog ventila jednaka temperaturi pare koju potiskuje klip, tada će se sva translacijska kinetička energija klipa pretvoriti natrag u unutarnju energiju pare. Unutarnja energija izravno je proporcionalna temperaturi. Ako se unutarnja energija pare poveća, temperatura pare se povećava. Temperatura je izravno proporcionalna tlaku. Ako se temperatura pare poveća, povećava se i tlak pare. Dakle, tlak pare ispuštene kroz ispušni ventil jednak je tlaku pare koja ulazi kroz ulazni ventil. Klip će se nastaviti kontinuirano kretati desno i lijevo, ali neće biti ukupne kinetične energije koja se može iskoristiti (nema ukupnog rada). Dakle, kinetička energija koju klip primi tijekom procesa ekspanzije (klip se pomiče udesno) bit će vraćena pari tijekom procesa kompresije (klip se pomiče ulijevo).
Zaključuje se da je temperaturna razlika u parnom stroju i dalje potrebna. Ta temperaturna razlika u parnom stroju može se postići korištenjem kondenzatora. Kada su temperatura i tlak pare ispod ispušnog ventila znatno niži od temperature i tlaka pare u cilindru, tada kada se klip pomiče natrag ulijevo, količina tlaka koju klip vrši na paru znatno je manja od količine tlaka koju para vrši na klip kada se klip pomiče udesno. Drugim riječima, količina rada koju klip obavlja na pari znatno je manja od količine rada koju para obavlja na klipu. Dakle, samo se mali dio kinetičke energije klipa vraća u paru. Dakle, bit će ukupna kinetička energija ili ukupni proizvedeni rad. Ova ukupna kinetička energija koristi se za pomicanje nečega.
Motor s unutarnjim izgaranjem
Motori motocikala i automobila primjeri su motora s unutarnjim izgaranjem. Nazivaju se motori s unutarnjim izgaranjem jer se proces izgaranja odvija unutar zatvorenog cilindra. Motori s unutarnjim izgaranjem rezultat su inženjerskog koncepta adijabatske kompresije i ekspanzije, objašnjenog u prvom zakonu termodinamike.
Razmatrat ćemo samo motore s unutarnjim izgaranjem koji koriste benzin i dizel kao gorivo. Benzin i dizel su naftni derivati i stoga posjeduju kemijsku potencijalnu energiju. Kemijska potencijalna energija u benzinu i dizelu prvo se pretvara u toplinu procesom izgaranja. Toplina proizvedena izgaranjem zatim se pretvara u mehaničku energiju. Ta mehanička energija omogućuje kretanje motocikla ili automobila. Ciklus u benzinskom motoru naziva se Ottov ciklus, dok se ciklus u dizelskom motoru naziva dizelski ciklus. Ciklus je reverzibilan termodinamički proces. Prvo ćemo raspraviti o Ottovom ciklusu.
Ottov ciklus
Ovo je dijagram četverotaktnog motora s unutarnjim izgaranjem. Smjesa zraka i benzinske pare struji iz rasplinjača u cilindar dok se klip pomiče prema dolje (usisni takt). Smjesa zraka i benzinske pare u cilindru se zatim adijabatski komprimira dok se klip pomiče prema gore (kompresijski takt). Budući da se adijabatski komprimira, temperatura i tlak smjese se povećavaju. Istovremeno, svjećica pali smjesu, paleći je. Kako gori, temperatura i tlak plina se povećavaju. Plin visoke temperature i visokog tlaka širi se uz klip, gurajući ga prema dolje (ekspanzijski takt). Izgorjeli plin se zatim ispušta kroz ispušni ventil i usmjerava prema ispušnoj cijevi (ispušni takt). Usisni ventil se ponovno otvara i četiri takta se ponavljaju.
Važno je napomenuti da je svrha adijabatskog kompresijskog takta povećanje temperature i tlaka smjese para zraka i benzina. Izgaranje pri visokom tlaku proizvodi vrlo visoke temperature i tlakove. Posljedično, potisak (F = PA) koji se generira tijekom procesa ekspanzije je vrlo velik. To rezultira time da motor motocikla ili automobila postaje snažniji. Čak i bez kompresije, smjesa para zraka i benzina može se zapaliti kada svjećica proizvede iskru. Međutim, temperatura i tlak izgorjelog plina nisu jako visoki, pa je rezultirajući potisak također mali. Kao rezultat toga, motor postaje manje snažan.
Proces transformacije i prijenosa energije u četverotaktnom motoru s unutarnjim izgaranjem može se objasniti na sljedeći način: Tijekom izgaranja, kemijska potencijalna energija u benzinu i energija u zraku pretvaraju se u toplinu. Dio topline pretvara se u mehaničku energiju u klipnjači i radilici, dok se dio oslobađa kroz ispušnu cijev. Većina mehaničke energije u klipnjači i radilici pretvara se u mehaničku energiju u vozilu (kretanje vozila), dok se mali dio pretvara u toplinu. Toplina nastaje trenjem.
Adijabatski proces ekspanzije i kompresije u Ottovom ciklusu može se ilustrirati donjim dijagramom. Ovaj dijagram prikazuje idealizirani model termodinamičkih procesa koji se odvijaju u motoru s unutarnjim izgaranjem na benzinski pogon.
Smjesa zraka i benzinske pare ulazi u cilindar (a). Smjesa zraka i benzinske pare se zatim adijabatski komprimira (a-b). Treba napomenuti da se volumen cilindra smanjuje. Smjesa zraka i benzinske pare zagrijava se pri konstantnom volumenu – smjesa izgara (b-c). Izgorjeli plin podliježe adijabatskoj ekspanziji (c-d). Hlađenje pri konstantnom volumenu – izgorjeli plin se ispušta u ispušnu cijev i nova smjesa zraka i benzinske pare ulazi u cilindar (d-a).
Smjesa zraka i benzinske pare ulazi u cilindar (a). Smjesa zraka i benzinske pare se zatim adijabatski komprimira (a-b). Treba napomenuti da se volumen cilindra smanjuje. Smjesa zraka i benzinske pare zagrijava se pri konstantnom volumenu – smjesa izgara (b-c). Izgorjeli plin podliježe adijabatskoj ekspanziji (c-d). Hlađenje pri konstantnom volumenu – izgorjeli plin se ispušta u ispušnu cijev i nova smjesa zraka i benzinske pare ulazi u cilindar (d-a).
Dizelski ciklus
Princip rada dizelskog motora sličan je principu rada benzinskog motora. Razlika leži u početnom koraku adijabatske kompresije (adijabatska kompresija = kompresija koja se vrši tako brzo da toplina nema vremena ući ili izaći iz sustava. Sustav je u ovom slučaju cilindar). Dok se u benzinskom motoru komprimira smjesa zraka i benzinske pare, u dizelskom motoru se komprimira samo zrak. Adijabatska kompresija uzrokuje porast temperature i tlaka zraka. Zatim, injektor, odnosno ubrizgavač, raspršuje dizel. Budući da su temperatura i tlak zraka već vrlo visoki, kada se dizel rasprši u cilindar, dizel se odmah pali. Nema potrebe za svjećicom. Zabilježite vrijednost tlaka prikazanu na donjem dijagramu. Usporedite je s vrijednošću tlaka prikazanom na Ottovom cikličkom dijagramu.
Ovaj dijagram prikazuje idealni dizelski ciklus. U početku se zrak adijabatski komprimira (a-b), zatim zagrijava pri konstantnom tlaku – injektor raspršuje dizel i dolazi do izgaranja (b-c), izgorjeli plin se adijabatski širi (c-d), hladi se pri konstantnom volumenu – izgorjeli plin se izbacuje kroz ispušnu cijev, a svježi zrak ulazi u cilindar (d-a).
Na temelju gornjeg objašnjenja može se zaključiti da svaki toplinski stroj u osnovi ima specifičnu radnu tvar. Radna tvar za parni stroj je voda, radna tvar za benzinski motor je zrak i benzinska para, a radna tvar za dizelski motor je zrak i dizel. Radna tvar obično apsorbira toplinu na visokoj temperaturi (Q H ), obavlja rad (W ), a zatim oslobađa preostalu toplinu na nižoj temperaturi (Q L ). Budući da se energija očuva, tada je Q H = W + Q L.
Učinkovitost toplinskog motora
Korisna vrijednost (e) toplinskog stroja je omjer između rada (W) koji motor obavi i unosa topline na visokoj temperaturi (Q H ). Matematički se to može napisati ovako:
W je profit koji ostvarujemo, dok je QH trošak koji snosimo za kupnju i sagorijevanje goriva. Kao ljudi koji uvijek žele ostvariti najveću moguću dobit i najmanji mogući trošak, stvarno se nadamo da je profit koji ostvarimo (W) sukladan trošku koji snosimo (QH). Je li to moguće?
Na temelju zakona o očuvanju energije, ulazna toplina (Q H ) mora biti jednaka obavljenom radu (W) + oslobođenoj toplini (Q L ). Matematički:
Da biste izrazili učinkovitost toplinskog stroja u postotku, jednostavno pomnožite jednadžbu učinkovitosti sa 100%. Na temelju gornje jednadžbe učinkovitosti, što više topline odbaci (QL ) toplinski stroj, to je manje učinkovit. Jako bismo voljeli imati što manje odbačene topline (QL ) . Međutim, unos topline (QH ) obično se dobiva izgaranjem nafte, ugljena, plina itd. (goriva koja plaćamo).
Stoga je svaki toplinski stroj u biti dizajniran da bude što učinkovitiji. Iako želimo najveću moguću korist uz najmanje moguće troškove, stvarnost je da su parni strojevi obično učinkoviti oko 40%, dok su motori s unutarnjim izgaranjem oko 50%. To znači da se polovica topline proizvedene izgaranjem goriva gubi. Samo se polovica pretvara u mehaničku energiju.
Primjer pitanja 1:
Toplinski stroj apsorbira 3000 džula topline (Q H ), izvrši rad (W) i oslobodi 2500 džula topline (Q L ). Kolika je učinkovitost toplinskog stroja?
Rasprava
Primjer pitanja 2:
Toplinski stroj apsorbira 3000 džula topline (Q H ), obavi rad (W) i oslobodi 2000 džula topline (Q L ). Kolika je učinkovitost toplinskog stroja?
Rasprava
Primjer pitanja 3:
Toplinski stroj apsorbira 3000 džula topline (Q H ), obavi rad (W) i oslobodi 1500 džula topline (Q L ). Kolika je učinkovitost toplinskog stroja?
Rasprava
