Atik sou Dezyèm Lwa Tèmodinamik la
Tout pwosesis natirèl yo rive nan yon sèl direksyon sèlman, men yo pa ka rive nan direksyon opoze a. Sa yo rele pwosesis ireversib. Apre yon mango fin soti nan tij li epi li tonbe lib atè, li pa janm monte ankò. Yon liv nou pouse epi nou kanpe pa janm retounen vin jwenn nou. Si nou touche yon objè ki gen yon tanperati ki wo (objè cho) ak yon objè ki gen yon tanperati ki ba (objè frèt), chalè a natirèlman soti nan objè ki gen tanperati ki wo a pou ale nan objè ki gen tanperati ki ba a. Nou pa janm wè pwosesis envès la, kote chalè a natirèlman deplase soti nan yon objè frèt pou ale nan yon objè cho. Si pwosesis sa a te rive, objè frèt la t ap vin pi frèt, alòske objè cho a t ap vin pi cho. Men, an reyalite, se pa konsa sa ye. Gen anpil pwosesis ireversib ki sanble diferan youn ak lòt, men yo tout enplike chanjman nan fòm enèji ak transfè enèji soti nan yon objè a yon lòt.
Pa egzanp, gen yon tranblemanntè pwisan ki lakòz bilding yo tonbe (bilding yo tonbe akòz enèji vag tranblemanntè yo pote). Èske w te janm wè chak pati nan bilding ki te tonbe a tounen ansanm epi kanpe dwat jan yo te ye anvan? Oubyen, pa egzanp, yon vè tonbe atè epi li kraze... Èske w te janm wè fragman vè ki gaye atè a tounen ansanm epi fòme yon vè ki antye jan yo te ye anvan? Sa pa janm rive... gen anpil lòt egzanp.
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 :
Chalè deplase poukont li soti nan yon objè ki gen yon tanperati ki wo pou ale nan yon objè ki gen yon tanperati ki ba; chalè p ap deplase poukont li soti nan yon objè ki gen yon tanperati ki ba pou ale nan yon objè ki gen yon tanperati ki wo (Dezyèm lwa tèmodinamik la – deklarasyon Clausius).
Deklarasyon Clausius la se yon deklarasyon espesyal sou dezyèm lwa termodinamik la. Yo rele l yon deklarasyon espesyal paske li aplike sèlman a yon sèl pwosesis, sètadi transfè chalè. Paske deklarasyon sa a pa gen rapò ak lòt pwosesis yo, nou bezwen yon deklarasyon ki pi jeneral. Devlopman deklarasyon jeneral dezyèm lwa termodinamik la te baze an pati sou etid motè tèmik yo. Se poutèt sa, nou pral pale de motè tèmik an premye.
MOTÈ CHALÈ
Anpil nan enèji nou itilize a soti nan enèji potansyèl chimik ki genyen nan petwòl, gaz ak chabon. Enèji potansyèl chimik ki genyen nan petwòl, gaz oswa chabon pa ka itilize dirèkteman. Petwòl, gaz oswa chabon dwe boule anvan. Tipikman, boule konbistib fosil (petwòl, gaz ak chabon) pwodui chalè. Chalè ka itilize dirèkteman pou kwit manje epi chofe yon chanm. Pou deplase yon bagay (pa egzanp, pou deplase yon machin), nou dwe konvèti chalè an enèji sinetik oswa enèji mekanik (enèji mekanik = enèji potansyèl + enèji sinetik). Konvèti enèji mekanik an chalè se yon travay ki trè fasil, men konvèti chalè an enèji mekanik difisil. Eseye fwote pla men ou ansanm... pla men ou cho, pa vre? Lè nou fwote pla men nou ansanm (nou fè travay), enèji mekanik konvèti an chalè. Pwosesis la trè fasil... Menm chalè enfini ka pwodui lè nou fè travay. Men, pwosesis envès la, sètadi itilize chalè pou fè travay, difisil.
Yo te fèk envante yon aparèy yo te itilize pou itilize chalè pou fè travay an 1700. Aparèy an kesyon an sete machin vapè a. Yo te premye itilize motè vapè pou ponpe dlo soti nan min chabon. Li enpòtan pou note ke premye itilizasyon motè vapè te fèt anvan syantis yo te konnen ke chalè se aktyèlman enèji transfere akòz diferans tanperati (premye lwa tèmodinamik la pa t ko fòmile).
Itilizasyon motè vapè nan epòk sa a te pwobableman baze sou eksperyans chak jou ki te montre ke vapè te kapab deplase bagay yo. Motè vapè yo konsidere kòm motè chalè (yon motè chalè = yon aparèy pou konvèti chalè an enèji mekanik). Jodi a, yo itilize motè vapè pou jenere enèji elektrik. Motè chalè modèn yo se motè ki boule gaz (motè machin, motè motosiklèt, elatriye).
Lide debaz ki dèyè itilizasyon yon motè tèmik se ke chalè ka konvèti an enèji mekanik sèlman si yo pèmèt li koule soti nan yon rejyon ki gen tanperati ki wo pou ale nan yon rejyon ki gen tanperati ki ba. Pandan pwosesis sa a, yon pati nan chalè a konvèti an enèji mekanik (yo itilize yon pati nan chalè a pou fè travay), alòske yon pati nan chalè a rejte nan rejyon ki gen tanperati ki ba a. Pwosesis konvèsyon enèji ak transfè enèji nan yon motè tèmik montre nan dyagram nan.
Tanperati ki wo (TH) ak tanperati ki ba (TL) yo rele tou tanperati fonksyònman motè a. Chalè ki soti nan yon kote ki gen tanperati ki wo resevwa senbòl QH, pandan ke chalè ki lage nan yon kote ki gen tanperati ki ba yo bay senbòl QL. Lè l ap koule soti nan yon kote ki gen gwo tanperati pou ale nan yon kote ki gen ti tanperati, gen kèk QH konvèti an enèji mekanik (ki itilize pou fè travay), yon pati ladan l libere kòm QLAnfèt, nou espere tout Q yoH kapab konvèti an W, men eksperyans chak jou montre ke sa enposib. Toujou gen yon ti chalè ki pèdi. Kidonk, ki baze sou konsèvasyon enèji a, nou ka konkli ke QH = W + QL.
Kounye a, ann egzamine yon motè chalè ki souvan itilize pou konvèti chalè an enèji mekanik. Li enpòtan pou nou sonje ke nou sèlman ap konsidere motè chalè ki fè travay kontinyèl. Pou travay la fèt kontinyèlman, chalè dwe koule kontinyèlman soti nan yon rejyon ki gen tanperati ki wo pou ale nan yon rejyon ki gen tanperati ki ba. Si chalè a koule yon sèl fwa, travay motè chalè a fè a ap fèt yon sèl fwa tou (enèji mekanik ki pwodui a ap trè piti). Se poutèt sa, motè chalè a pa ka itilize yon fason optimal. Yon motè chalè ka itilize yon fason optimal si li fè travay kontinyèlman. Nan lòt mo, enèji mekanik motè chalè a pwodui a sifi pou itilize pou deplase yon bagay.
Motè vapè
Motè vapè yo itilize vapè dlo kòm yon mwayen transfè chalè. Yo refere a vapè kòm sibstans k ap travay yon motè vapè. Gen de kalite motè vapè: motè vapè resipwòk ak motè vapè turbin (turbin vapè). Desen yo diferan yon ti kras, men tou de kalite yo pataje resanblans: yo itilize vapè chofe lè yo boule lwil, gaz, chabon, oswa enèji nikleyè.
Motè vapè tip resipwòk
Dlo nan yon veso anjeneral chofe anba gwo presyon. Paske li chofe anba gwo presyon, pwosesis ebulisyon an fèt anba yon tanperati ki wo. Tanperati a dirèkteman pwopòsyonèl ak presyon. Plis tanperati vapè a wo, se plis presyon vapè a wo. Vapè tanperati ki wo oswa presyon ki wo sa a deplase nan valv admisyon an epi li elaji kont piston an. Pandan l ap elaji, vapè a pouse piston an, sa ki lakòz li deplase adwat.
Yon pati nan chalè ki nan vapè a konvèti an enèji sinetik. Lè piston an deplase adwat, wou ki konekte ak piston an vire (1). Apre yon demi wotasyon, wou a pouse piston an tounen nan pozisyon orijinal li (2). Lè piston an deplase agoch, valv admisyon an fèmen otomatikman, pandan valv echapman an ouvri otomatikman. Vapè a kondanse pa kondansateur a, li transfòme an lawouze. Apre sa, dlo ki nan kondansateur a ponpe tounen nan veso a pou l bouyi ankò. Epi kontinye konsa... Paske pwosesis la repete plizyè fwa, piston an deplase adwat ak agoch kontinyèlman. Paske piston an deplase adwat ak agoch kontinyèlman, wou a vire tou kontinyèlman. Wotasyon wou a anjeneral itilize pou deplase yon bagay.
Toubin vapè
Prensip fonksyònman yon turbin vapè esansyèlman menm jan ak yon motè vapè resipwòk. Diferans lan se ke yon motè vapè resipwòk itilize yon piston, alòske yon turbin vapè itilize yon turbin. Nan yon motè vapè resipwòk, chalè a premye konvèti an enèji sinetik translasyonèl piston an. Apre sa, enèji sinetik translasyonèl piston an konvèti an enèji sinetik wotasyonèl wou k ap vire a. Nan yon turbin vapè, chalè a konvèti dirèkteman an enèji sinetik wotasyonèl turbin lan. Turbin lan ka vire akòz yon diferans presyon. Tanperati vapè ki anwo lam la pi wo pase tanperati vapè ki anba lam la. Lam la se yon plak mens ki sitiye nan sant turbin lan. Tanperati a dirèkteman pwopòsyonèl ak presyon. Paske tanperati vapè ki anwo lam la pi wo pase tanperati vapè ki anba lam la, presyon vapè ki anwo lam la pi gran pase presyon ki anba lam la. Diferans presyon sa a lakòz vapè a pouse lam la anba, sa ki lakòz turbin lan vire. Direksyon wotasyon turbin lan montre nan figi a.
Li enpòtan pou nou sonje prensip fonksyònman yon motè vapè baze sou dyagram transfè enèji ki eksplike pi wo a. Nan ka sa a, enèji mekanik ka pwodui lè yo kite chalè koule soti nan yon objè oswa yon kote ki gen yon tanperati ki wo pou ale nan yon objè oswa yon kote ki gen yon tanperati ki ba. Se poutèt sa, yon diferans tanperati esansyèl nan yon motè vapè.
Si ou peye atansyon sou kijan yon motè vapè resipwòk fonksyone, ou ap remake ke piston an ka toujou deplase agoch ak adwat menm si pa gen okenn diferans tanperati (pa gen kondansateur oswa ponp). Piston an ka deplase adwat akòz ekspansyon vapè ki gen gwo tanperati oswa gwo presyon. Nan ka sa a, yon pati nan chalè ki nan vapè a konvèti an enèji sinetik translasyonèl piston an. Enèji sinetik translasyonèl piston sa a konvèti an enèji sinetik wotasyonèl wou k ap vire a. Apre li fin fè mwatye yon wotasyon, wou a pouse piston an tounen agoch. Lè wou a pouse piston an tounen agoch, enèji sinetik wotasyonèl wou a konvèti ankò an enèji sinetik translasyonèl piston an. Pandan piston an ap deplase agoch, li pouse vapè ki nan silenn lan deyò. An menm tan, valv echapman an ouvri.
Konsa, vapè piston an pouse a pral pouse zanmi l anba valv echapman an. Kounye a, si tanperati vapè ki anba valv echapman an egal ak tanperati vapè piston an pouse a, alò tout enèji sinetik translasyon piston an pral konvèti tounen nan enèji entèn vapè a. Enèji entèn lan dirèkteman pwopòsyonèl ak tanperati a. Si enèji entèn vapè a ogmante, tanperati vapè a ogmante. Tanperati a dirèkteman pwopòsyonèl ak presyon an. Si tanperati vapè a ogmante, presyon vapè a ogmante tou. Konsa, presyon vapè ki lage nan valv echapman an egal ak presyon vapè k ap antre nan valv admisyon an. Piston an ap kontinye deplase adwat agoch kontinyèlman men pap gen okenn enèji sinetik total ki ka itilize (pa gen okenn travay total ki pwodui). Kidonk enèji sinetik piston an resevwa pandan pwosesis ekspansyon an (piston an deplase adwat) pral retounen nan vapè a pandan pwosesis konpresyon an (piston an deplase agoch).
Yo konkli ke yon diferans tanperati nan yon motè vapè toujou nesesè. Diferans tanperati sa a nan yon motè vapè ka reyalize lè yo itilize yon kondansateur. Lè tanperati ak presyon vapè ki anba valv echapman an pi ba anpil pase tanperati ak presyon vapè ki nan silenn lan, lè piston an deplase tounen agoch, kantite presyon piston an egzèse sou vapè a pi piti pase kantite presyon vapè a egzèse sou piston an lè piston an deplase adwat. Nan lòt mo, kantite travay piston an fè sou vapè a pi piti anpil pase kantite travay vapè a fè sou piston an. Kidonk, se sèlman yon ti pòsyon nan enèji sinetik piston an ki retounen nan vapè a. Kidonk, pral gen enèji sinetik total oswa travay total ki pwodui. Enèji sinetik total sa a itilize pou deplase yon bagay.
Motè Konbisyon Entèn
Motè motosiklèt ak machin se egzanp motè ki fonksyone ak konbisyon entèn. Yo rele yo motè ki fonksyone ak konbisyon entèn paske pwosesis konbisyon an fèt andedan yon silenn fèmen. Motè ki fonksyone ak konbisyon entèn yo se rezilta enjenyèri konsèp konpresyon ak ekspansyon adyabatik la, jan yo eksplike l nan premye lwa tèmodinamik la.
Nou pral sèlman konsidere motè ki fonksyone ak konbisyon entèn ki itilize gazolin ak dyezèl kòm gaz. Gazolin ak dyezèl se pwodui petwòl, e pakonsekan yo posede enèji potansyèl chimik. Enèji potansyèl chimik ki nan gazolin ak dyezèl la konvèti an chalè an premye atravè pwosesis konbisyon an. Chalè ki pwodui nan konbisyon an konvèti an enèji mekanik. Enèji mekanik sa a se sa ki pèmèt yon motosiklèt oswa yon machin deplase. Sik la nan yon motè gazolin rele sik Otto a, alòske sik la nan yon motè dyezèl rele sik dyezèl la. Yon sik se yon pwosesis tèmodinamik revèsib. Ann pale de sik Otto a an premye.
Sik Otto
Sa a se yon dyagram yon motè kat tan ki fonksyone ak konbisyon entèn. Yon melanj lè ak vapè gazolin ap koule soti nan karburatè a nan silenn lan pandan piston an ap desann (kous admisyon an). Melanj lè ak vapè gazolin ki nan silenn lan konprese adyabatikman pandan piston an ap monte (kous konpresyon an). Paske li konprese adyabatikman, tanperati ak presyon melanj lan ogmante. An menm tan, bouji a limen melanj lan, li fè l brile. Pandan l ap boule, tanperati ak presyon gaz la ogmante. Gaz ki nan tanperati ki wo ak presyon ki wo a elaji kont piston an, li pouse l desann (kous ekspansyon an). Gaz ki boule a lage nan valv echapman an epi li dirije l nan direksyon tiyo echapman an (kous echapman an). Valv admisyon an ouvri ankò, epi kat tan yo repete.
Li enpòtan pou nou sonje ke objektif konpresyon adyabatik la se ogmante tanperati ak presyon melanj vapè lè-gazolin nan. Konbisyon anba gwo presyon pwodui tanperati ak presyon ki wo anpil. Kidonk, pouse (F = PA) ki pwodui pandan pwosesis ekspansyon an trè gwo. Sa lakòz yon motè motosiklèt oswa machin vin pi puisan. Menm san konpresyon, melanj vapè lè-gazolin nan ka pran dife lè bouji a pwodui yon etensèl. Sepandan, tanperati ak presyon gaz ki boule a pa twò wo, kidonk pouse ki soti a piti tou. Kòm rezilta, motè a vin mwens puisan.
Pwosesis transfòmasyon enèji ak transfè enèji nan yon motè kat tan ki fonksyone ak konbisyon entèn ka eksplike jan sa a: Pandan konbisyon an, enèji potansyèl chimik ki nan gazolin nan ak enèji ki nan lè a konvèti an chalè. Yon pati nan chalè a konvèti an enèji mekanik nan tij piston an ak vilbreken an, alòske yon lòt pati libere nan tiyo echapman an. Pifò nan enèji mekanik ki nan tij piston an ak vilbreken an konvèti an enèji mekanik nan machin nan (ki deplase machin nan), alòske yon ti pòsyon konvèti an chalè. Chalè pwodui pa friksyon.
Pwosesis ekspansyon ak konpresyon adyabatik nan sik Otto a ka ilistre pa dyagram ki anba a. Dyagram sa a montre yon modèl ideyalize nan pwosesis termodinamik ki fèt nan yon motè konbisyon entèn ki mache ak gazolin.
Yon melanj lè ak vapè gazolin antre nan silenn lan (a). Apre sa, melanj lè ak vapè gazolin lan konprese adyabatikman (a‐b). Remake volim silenn lan diminye. Melanj lè ak vapè gazolin lan chofe nan yon volim konstan – melanj lan boule (b‐c). Gaz boule a sibi ekspansyon adyabatik (c‐d). Refwadisman nan yon volim konstan – gaz boule a dechaje nan tiyo echapman an epi yon nouvo melanj lè + vapè gazolin antre nan silenn lan (d‐a).
Yon melanj lè ak vapè gazolin antre nan silenn lan (a). Apre sa, melanj lè ak vapè gazolin lan konprese adyabatikman (a‐b). Remake volim silenn lan diminye. Melanj lè ak vapè gazolin lan chofe nan yon volim konstan – melanj lan boule (b‐c). Gaz boule a sibi ekspansyon adyabatik (c‐d). Refwadisman nan yon volim konstan – gaz boule a dechaje nan tiyo echapman an epi yon nouvo melanj lè + vapè gazolin antre nan silenn lan (d‐a).
Sik dyezèl
Prensip fonksyònman yon motè dyezèl sanble ak yon motè gazolin. Diferans lan chita nan premye etap konpresyon adyabatik la (konpresyon adyabatik = konpresyon ki fèt tèlman vit ke chalè pa gen tan pou l antre oswa sòti nan sistèm nan. Nan ka sa a, sistèm nan se yon silenn). Pandan ke nan yon motè gazolin, sa ki konprese se yon melanj lè ak vapè gazolin, nan yon motè dyezèl se sèlman lè a ki konprese. Konpresyon adyabatik lakòz tanperati ak presyon lè a ogmante. Apre sa, enjektè a, ke yo rele tou enjektè a, flite dyezèl. Paske tanperati ak presyon lè a deja trè wo, lè yo flite dyezèl la nan silenn lan, dyezèl la limen imedyatman. Pa bezwen yon bouji. Remake valè presyon ki montre nan dyagram ki anba a. Konpare li ak valè presyon ki montre nan dyagram sik Otto a.
Dyagram sa a montre yon sik dyezèl ideyal. Okòmansman, lè a konprese adyabatikman (a-b), answit li chofe a yon presyon konstan – enjektè a flite dyezèl epi konbisyon fèt (b-c), gaz boule a sibi ekspansyon adyabatik (c-d), li refwadi a yon volim konstan – gaz boule a ekspilse nan tiyo echapman an epi lè fre antre nan silenn lan (d-a).
Baze sou eksplikasyon ki anwo a, nou ka konkli ke chak motè chalè fondamantalman gen yon sibstans k ap travay espesifik. Sibstans k ap travay pou yon motè vapè se dlo, sibstans k ap travay pou yon motè gazolin se lè ak vapè gazolin, sibstans k ap travay pou yon motè dyezèl se lè ak dyezèl. Sibstans k ap travay la anjeneral absòbe chalè nan yon tanperati ki wo (Q H ), fè travay (W), epi li lage chalè ki rete a nan yon tanperati ki pi ba (Q L ). Piske enèji konsève, alò Q H = W + Q L.
Efikasite motè chalè
Efikasite (e) yon motè chalè se rapò ki genyen ant travay (W) motè a fè ak chalè ki antre nan tanperati ki wo (Q H ). Matematikman, nou ka ekri l konsa:
W se pwofi nou resevwa a, alòske QH se pri nou fè pou achte epi boule gaz. Antanke moun ki toujou vle jwenn pi gwo pwofi posib ak pi piti depans posib, nou vrèman espere ke pwofi nou jwenn nan (W) koresponn ak pri nou fè a (QH). Èske sa posib?
Baze sou konsèvasyon enèji a, chalè ki antre a (Q H ) dwe egal a travay ki fèt la (W) + chalè ki lage a (Q L ). Matematikman:
Pou eksprime efikasite yon motè chalè kòm yon pousantaj, tou senpleman miltipliye ekwasyon efikasite a pa 100%. Baze sou ekwasyon efikasite ki anwo a, plis chalè yon motè chalè rejete (QL ) , mwens li efikas. Nou ta renmen anpil gen mwens chalè rejete (QL ) ke posib. Sepandan, chalè ki antre a (QH ) anjeneral jwenn lè yo boule lwil, chabon, gaz, elatriye (konbistib ke nou peye pou).
Se poutèt sa, chak motè chalè fèt esansyèlman pou l efikas otank posib. Malgre ke nou vle pi gwo benefis posib ak pi piti depans posib, reyalite a se ke motè vapè yo tipikman efikas nan anviwon 40%, alòske motè ki fonksyone ak konbisyon entèn yo anviwon 50%. Sa vle di ke mwatye nan chalè ki pwodui lè yo boule gaz la gaspiye. Se sèlman mwatye ki konvèti an enèji mekanik.
Egzanp kesyon 1:
Yon motè chalè absòbe 3000 Joul chalè (Q H ), fè travay (W) epi li degaje 2500 Joul chalè (Q L ). Ki efikasite motè chalè a?
Pembahasan
Egzanp kesyon 2:
Yon motè chalè absòbe 3000 Joules chalè (Q H ), li fè travay (W) epi li degaje 2000 Joules chalè (Q L ). Ki efikasite motè chalè a?
Pembahasan
Egzanp kesyon 3:
Yon motè chalè absòbe 3000 Joules chalè (Q H ), li fè travay (W) epi li degaje 1500 Joules chalè (Q L ). Ki efikasite motè chalè a?
Pembahasan
