Kako bi objasnili nepovratne termodinamičke procese, znanstvenici su formulirali drugi zakon termodinamike. Drugi zakon termodinamike objašnjava koji se procesi mogu odvijati u svemiru, a koji se ne mogu. Jedan znanstvenik po imenu RJE Clausius (1822.-1888.) dao je sljedeću izjavu:
Toplina se prirodno prenosi s objekata visoke temperature na objekte niske temperature; toplina se prirodno ne prenosi s objekata niske temperature na objekte visoke temperature (Drugi zakon termodinamike - Clausiusova tvrdnja).
Clausiusova tvrdnja jedna je od posebnih tvrdnji drugog zakona termodinamike. Naziva se posebnom tvrdnjom jer se odnosi samo na jedan proces, a to je prijenos topline. Budući da ova tvrdnja nije povezana s drugim procesima, potrebna nam je općenitija tvrdnja. Razvoj opće tvrdnje drugog zakona termodinamike temelji se na proučavanju toplinskih motora. Stoga prvo raspravljamo o toplini motora.
Toplotna mašina
Velik dio energije koju koristimo dolazi iz kemijske potencijalne energije sadržane u nafti, plinu i ugljenu. Kemijska potencijalna energija koja se primjenjuje da bi se izravno iskoristila prvo se mora spaliti. Obično izgaranje fosilnih goriva (nafte, plina i ugljena) proizvodi toplinu. Toplina se može izravno koristiti za kuhanje hrane, grijanje prostorije. Da bismo nešto pomaknuli (npr. pomicanje vozila), moramo toplinu pretvoriti u kinetičku energiju ili mehaničku energiju (mehanička energija = potencijalna energija + kinetička energija).
Alat koji koristi toplinu za obavljanje rada otkriven je 1700. godine. Bio je to parni stroj. Parni stroj prvi je put korišten za ispumpavanje vode iz rudnika ugljena.
Parni strojevi se koriste jer para može pokretati stvari. Parni strojevi uključuju toplinski stroj (toplinski stroj je alat za pretvaranje topline u mehaničku energiju). Sada se parni stroj koristi za proizvodnju električne energije. Moderni toplinski strojevi su motori s unutarnjim izgaranjem kao što su automobilski motori, motori motocikala itd.
Osnovna ideja iza korištenja toplinskih motora je da se toplina može pretvoriti u mehaničku energiju ako se toplini dopusti protok s visokih na niske temperature. Tijekom tog procesa, dio topline se pretvara u mehaničku energiju (dio topline se koristi za obavljanje rada), a dio topline se oslobađa na mjestima s niskim temperaturama. Proces promjene oblika energije i prijenosa energije u toplinskom motoru izgleda ovako:
Visoka temperatura (TH) i niska temperatura (TL) nazivaju se radna temperatura stroja. QH je toplina koja teče s visoke temperature, dok je QL je toplina koja teče prema mjestu s niskom temperaturom. Pri protoku s visokih na niske temperature, dio topline se pretvara u mehaničku energiju (koristi se za rad), a dio topline se odlaže kao QLNe može se sva toplina pretvoriti u rad (W), uvijek postoji toplina koja se oslobađa (QL). Dakle, na temelju očuvanja energije, QH = W + QL.
Postoji nekoliko toplinskih strojeva, uključujući parne strojeve i motore s unutarnjim izgaranjem.
Parni stroj
Parni strojevi koriste vodenu paru kao medij za prijenos topline. Para je radni fluid. Postoje dvije vrste parnih strojeva: izmjenični parni strojevi i turbinski parni strojevi. Dizajn ovog motora je različit, ali ove dvije vrste parnih strojeva koriste paru koja se zagrijava izgaranjem nafte, plina, ugljena ili korištenjem nuklearne energije.
Motori s unutarnjim izgaranjem
Motori motocikala i automobilskih motora primjeri su motora s unutarnjim izgaranjem. Nazivaju se motori s unutarnjim izgaranjem jer se proces izgaranja odvija unutar zatvorenih cilindara. Prisutnost motora s unutarnjim izgaranjem rezultat je inženjerskog koncepta adijabatske kompresije i ekspanzije.
Učinkovitost toplinskog motora
Učinkovitost toplinskog stroja (e) je usporedba između rada (W) koji stroj izvrši s toplinskim unosom na visokoj temperaturi (Q H ).
W je ostvareni dobitak, dok je Q H trošak nastao za kupnju i sagorijevanje goriva. Kao ljudska bića koja uvijek žele ostvariti maksimalnu dobit uz najmanje troškove, nadamo se da je povećanje dobiti (W) proporcionalno trošku koji trošimo (Q H ). Može li se to dogoditi?
Na temelju očuvanja energije, toplina (Q H ) mora biti jednaka radu (W) + ispuštenoj toplini (Q L ).
Zamijenite W u jednadžbi 1 s W u jednadžbi 2
Ovo je jednadžba korisnosti toplinskog motora.
Pitanje 1:
Toplinski stroj apsorbira 3000 džula (Q H ) topline, obavlja rad (W) i odvodi 2500 džula (Q L ) topline. Izračunajte toplinski stupanj korisnosti motora.
Riješenje
Učinkovitost toplinskog motora = 17%.
Pitanje 2:
Toplinski stroj apsorbira 3000 Jouleovih toplina (Q H ), obavlja rad (W) i odvodi 2000 Jouleovih toplina (Q L ). Izračunajte stupanj korisnosti toplinskog stroja.
Riješenje
Učinkovitost toplinskog motora = 34%.
Pitanje 3:
Toplinski stroj apsorbira 3000 džula topline (Q H ), obavlja rad (W) i oslobađa čak 1500 džula topline (Q L ). Izračunajte učinkovitost toplinskog stroja?
Riješenje
Učinkovitost toplinskog motora = 50%.
