Annað lögmál varmafræðinnar

Grein um annað lögmál varmafræðinnar

Öll náttúruleg ferli eiga sér stað í eina átt en geta ekki átt sér stað í gagnstæða átt, sem almennt er kallað óafturkræf ferli. Eftir að mangó hefur losnað af stilknum og fallið frjálslega til jarðar færist hann aldrei aftur upp á við. Bók sem við ýtum á og stöðvum síðan færist aldrei aftur að okkur. Ef við snertum hlut með háan hita (heitan hlut) við hlut með lágan hita (kaldan hlut), þá streymir hiti náttúrulega frá hlutnum með háan hita til hlutarins með lágan hita. Við sjáum aldrei öfuga ferlið, þar sem hiti færist náttúrulega frá köldum hlut til heits hlutar. Ef þetta ferli ætti sér stað, þá myndi kaldur hluturinn verða kaldari, en heiti hluturinn yrði heitari. En í raun er það ekki þannig. Það eru mörg óafturkræf ferli sem virðast ólík hvert öðru, en þau fela öll í sér breytingar á formi orku og flutning orku frá einum hlut til annars.

Til dæmis verður öflugur jarðskjálfti sem veldur því að byggingar hrynja (byggingar hrynja vegna orkunnar sem jarðskjálftabylgjur bera með sér). Hefur þú einhvern tíma séð hvern einasta hluta hrundu byggingarnnar koma saman aftur og standa uppréttur eins og áður? Eða, til dæmis, gler dettur á gólfið og brotnar... Hefur þú einhvern tíma séð glerbrotin sem dreifð eru um gólfið koma saman aftur og mynda gler sem er heilt eins og áður? Það hefur aldrei gerst... það eru mörg önnur dæmi.

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 :

Varmi berst af sjálfu sér frá hlut við háan hita til hlutar við lágan hita; varmi berst ekki af sjálfu sér frá hlut við lágan hita til hlutar við háan hita (önnur lögmál varmafræðinnar - fullyrðing Clausiusar).

Clausius-fullyrðingin er sérstök fullyrðing um annað lögmál varmafræðinnar. Hún er kölluð sérstök fullyrðing vegna þess að hún á aðeins við um eitt ferli, þ.e. varmaflutning. Þar sem þessi fullyrðing tengist ekki öðrum ferlum þurfum við almennari fullyrðingu. Þróun almennu fullyrðingarinnar um annað lögmál varmafræðinnar byggðist að hluta til á rannsóknum á varmavélum. Þess vegna munum við ræða varmavélar fyrst.

HITAVÉL

Mikil af þeirri orku sem við notum kemur frá efnafræðilegri stöðuorku sem er í jarðolíu, gasi og kolum. Efnafræðilegu stöðuorkuna sem er í jarðolíu, gasi eða kolum er ekki hægt að nota beint. Fyrst verður að brenna jarðolíu, gasi eða kolum. Venjulega framleiðir brennsla jarðefnaeldsneytis (jarðolíu, gasi og kolum) hita. Hægt er að nota hita beint til að elda mat og hita herbergi. Til að hreyfa eitthvað (til dæmis til að hreyfa ökutæki) verðum við að breyta hita í hreyfiorku eða vélræna orku (vélræn orka = stöðuorka + hreyfiorka). Að breyta vélrænni orku í varma er mjög auðvelt verk, en að breyta hita í vélræna orku er erfitt. Prófaðu að nudda lófunum saman ... lófarnir eru heitir, ekki satt? Þegar við nuddum lófunum saman (við vinnum vinnu) er vélræn orka breytt í varma. Ferlið er mjög auðvelt ... Jafnvel óendanlegur hiti er hægt að framleiða með því að vinna vinnu. En hið gagnstæða ferli, þ.e. að nota hita til að vinna vinnu, er erfitt.

Tæki sem notað var til að beisla hita til að framkvæma vinnu var ekki fundið upp fyrr en árið 1700. Tækið sem um ræðir var gufuvélin. Gufuvélar voru fyrst notaðar til að dæla vatni úr kolanámum. Mikilvægt er að hafa í huga að fyrsta notkun gufuvéla átti sér stað áður en vísindamenn vissu að hiti er í raun orka sem flyst vegna hitastigsmismunar (fyrsta lögmál varmafræðinnar hafði ekki enn verið mótað).

Notkun gufuvéla á þeim tíma byggðist líklega á daglegri reynslu sem sýndi að gufa gæti hreyft hluti. Gufuvélar eru taldar hitavélar (hitavél = tæki til að breyta hita í vélræna orku). Í dag eru gufuvélar notaðar til að framleiða raforku. Nútíma hitavélar eru brunahreyflar (bílavélar, mótorhjólavélar o.s.frv.).

Grunnhugmyndin á bak við notkun varmahreyfils er sú að varmi er aðeins hægt að breyta í vélræna orku ef honum er leyft að streyma frá svæði með háan hita yfir í svæði með lágan hita. Í þessu ferli er hluti af varmanum breytt í vélræna orku (hluti af varmanum er notaður til að vinna vinnu), en hluti af varmanum er hafnað til svæðisins með lágan hita. Ferlið við orkubreytingu og orkuflutning í varmahreyfli er sýnt á skýringarmyndinni.

Hátt hitastig (T_H) og lágt hitastig (T_L) er einnig kallað rekstrarhiti vélarinnar. Varmi sem streymir frá stað með miklum hita er gefinn með tákninu Q_H, en varminn sem losnar á lághitasvæði er gefinn tákninu Q_L. Þegar flæðir frá stað með háan hita yfir á stað með lágan hita, þá getur eitthvað Q_H umbreytt í vélræna orku (notuð til að vinna vinnu), hluti hennar losnar sem Q_LReyndar vonum við virkilega að öll Q_H Hægt er að breyta í W, en reynslan sýnir að þetta er ómögulegt. Það tapast alltaf einhver varmi. Þannig, byggt á varðveislu orku, má álykta að Q_H = W + Q_L.

Við skulum nú skoða varmavél sem almennt er notuð til að breyta varma í vélræna orku. Mikilvægt er að hafa í huga að við erum aðeins að skoða varmavélar sem framkvæma samfellda vinnu. Til þess að vinna geti farið fram samfellt verður varmi að flæða samfellt frá svæði með háan hita til svæðis með lágan hita. Ef varmi flæðir aðeins einu sinni, þá verður vinnan sem varmavélin framkvæmir einnig aðeins unnin einu sinni (vélræna orkan sem framleidd er verður mjög lítil). Þess vegna er ekki hægt að nýta varmavélina sem best. Hægt er að nýta varmavél sem best ef hún framkvæmir vinnu samfellt. Með öðrum orðum, vélræna orkan sem framleidd er af varmavélinni er næg til að nota hana til að hreyfa eitthvað.

Gufuvél

Gufuvélar nota vatnsgufu sem varmaflutningsmiðil. Gufa er kölluð vinnuefni gufuvélar. Það eru tvær gerðir af gufuvélum: stimpilgufuvélar og túrbínugufuvélar (gufutúrbínur). Hönnun þeirra er örlítið ólík en báðar gerðirnar eiga sameiginlegt: þær nota gufu sem er hituð með brennslu olíu, gass, kola eða kjarnorku.

Gufuvél af gerðinni „reciprocating“

Vatn í íláti er venjulega hitað við háan þrýsting. Þar sem það er hitað við háan þrýsting á sér suðuferlið stað við háan hita. Hitastigið er í beinu hlutfalli við þrýstinginn. Því hærra sem hitastig gufunnar er, því meiri er gufuþrýstingurinn. Þessi háhita- eða háþrýstingsgufunni fer í gegnum inntakslokann og þenst út á móti stimplinum. Þegar hún þenst út ýtir gufan á stimpilinn og veldur því að hann færist til hægri.

Hluti af hitanum í gufunni breytist í hreyfiorku. Þegar stimpillinn færist til hægri snýst hjólið sem tengist stimplinum (1). Eftir hálfan snúning ýtir hjólið stimplinum aftur í upprunalega stöðu sína (2). Þegar stimpillinn færist til vinstri lokast inntakslokinn sjálfkrafa en útblásturslokinn opnast sjálfkrafa. Gufan þéttist í þéttitækinu og breytist í dögg. Næst er vatnið í þéttitækinu dælt aftur í ílátið til að sjóða aftur. Og svo framvegis… Vegna þess að ferlið gerist endurtekið færist stimpillinn stöðugt til hægri og vinstri. Vegna þess að stimpillinn færist stöðugt til hægri og vinstri snýst hjólið einnig stöðugt. Snúningur hjólsins er venjulega notaður til að hreyfa eitthvað.

Gufutúrbína

Virkni gufutúrbínu er í meginatriðum sú sama og í stimpilgufuvél. Munurinn er sá að stimpilgufuvél notar stimpil en gufutúrbína notar túrbínu. Í stimpilgufuvél er hiti fyrst breytt í hreyfiorku stimpilsins. Eftir það er hreyfiorka stimpilsins breytt í snúningshreyfiorku snúningshjólsins. Í gufutúrbínu er hiti beint breytt í snúningshreyfiorku túrbínunnar. Túrbínan getur snúist vegna þrýstingsmismunar. Hitastig gufunnar fyrir ofan blaðið er miklu hærra en hitastig gufunnar fyrir neðan blaðið. Blaðið er þunn plata staðsett í miðju túrbínunnar. Hitastigið er í beinu hlutfalli við þrýstinginn. Vegna þess að hitastig gufunnar fyrir ofan blaðið er hærra en hitastig gufunnar fyrir neðan blaðið, er gufuþrýstingurinn fyrir ofan blaðið meiri en þrýstingurinn fyrir neðan blaðið. Þessi þrýstingsmismunur veldur því að gufan ýtir blaðinu niður á við, sem veldur því að túrbínan snýst. Snúningsátt túrbínunnar er sýnd á myndinni.

Mikilvægt er að hafa í huga að virkni gufuvélar byggist á orkuflutningsritinu sem útskýrt er hér að ofan. Í þessu tilviki er hægt að mynda vélræna orku með því að leyfa hita að streyma frá hlut eða stað með hátt hitastig til hlutar eða staðar með lágt hitastig. Þess vegna er hitastigsmunur nauðsynlegur í gufuvél.

Ef þú fylgist með því hvernig stimpillinn virkar með gufu, þá tekurðu eftir því að stimpillinn getur samt hreyfst til vinstri og hægri jafnvel þótt enginn hitamunur sé (enginn þéttir eða dæla). Stimpillinn getur hreyfst til hægri vegna útþenslu háhita- eða háþrýstingsgufunnar. Í þessu tilfelli er hluti af hitanum í gufunni breytt í hreyfiorku stimpilsins. Þessi hreyfiorka stimpilsins breytist síðan í snúningshreyfiorku snúningshjólsins. Eftir að hafa lokið hálfum snúningi ýtir hjólið stimpilnum aftur til vinstri. Þegar hjólið ýtir stimpilnum aftur til vinstri breytist snúningshreyfiorka hjólsins aftur í hreyfiorku stimpilsins. Þegar stimpillinn hreyfist til vinstri ýtir hann gufunni út í strokknum. Á sama tíma opnast útblástursventillinn.

Þannig mun gufan sem stimplinn ýtir félaga sínum undir útblásturslokann. Ef hitastig gufunnar fyrir neðan útblásturslokann er jafnt hitastigi gufunnar sem stimplinn ýtir, þá mun öll hreyfiorka stimplsins breytast aftur í innri orku gufunnar. Innri orka er í beinu hlutfalli við hitastig. Ef innri orka gufunnar hækkar, hækkar hitastig gufunnar. Hitastig er í beinu hlutfalli við þrýsting. Ef hitastig gufunnar hækkar, hækkar þrýstingur gufunnar einnig. Þannig er þrýstingur gufunnar sem losnar í gegnum útblásturslokann jafn þrýstingi gufunnar sem kemur inn í gegnum inntakslokann. Stimplinn mun halda áfram að hreyfast til hægri og vinstri samfellt en það verður engin heildarhreyfiorka sem hægt er að nýta (engin heildarvinna framleidd). Þannig mun hreyfiorkan sem stimplinn fær við útþensluferlið (stimplinn færist til hægri) skila sér til gufunnar við þjöppunarferlið (stimplinn færist til vinstri).

Niðurstaðan er sú að hitastigsmunur í gufuvél er enn nauðsynlegur. Þennan hitamun í gufuvél er hægt að ná með því að nota þétti. Þegar hitastig og þrýstingur gufunnar fyrir neðan útblásturslokann eru mun lægri en hitastig og þrýstingur gufunnar í strokknum, þá er þrýstingurinn sem stimpillinn beitir á gufuna mun minni þegar hann færist aftur til vinstri en þrýstingurinn sem gufan beitir á stimpilinn þegar hann færist til hægri. Með öðrum orðum er vinnan sem stimpillinn vinnur á gufuna mun minni en vinnan sem gufan vinnur á stimpilinn. Þannig skilar aðeins lítill hluti af hreyfiorku stimpilsins sér til baka til gufunnar. Þannig verður heildarhreyfiorka eða heildarvinna framleidd. Þessi heildarhreyfiorka er notuð til að hreyfa eitthvað.

Innri brunavél

Mótorhjóla- og bílvélar eru dæmi um brunahreyfla. Þær eru kallaðar brunahreyflar vegna þess að brunaferlið á sér stað inni í lokuðum strokka. Brunahreyflar eru afleiðing af því að þróa hugtakið sjálfþjöppun og útþensla, sem útskýrt er í fyrsta lögmáli varmafræðinnar.

Við munum aðeins skoða brunahreyfla sem nota bensín og dísilolíu sem eldsneyti. Bensín og dísilolía eru olíuafurðir og hafa því efnafræðilega stöðuorku. Efnafræðilega stöðuorkan í bensíni og dísilolíu breytist fyrst í varma í gegnum brunaferlið. Hitinn sem myndast við brunann breytist síðan í vélræna orku. Þessi vélræna orka er það sem gerir mótorhjóli eða bíl kleift að hreyfast. Hringrásin í bensínvél kallast Otto-hringrásin, en hringrásin í dísilvél kallast dísilhringrásin. Hringrás er afturkræft varmafræðilegt ferli. Við skulum fyrst ræða Otto-hringrásina.

Otto hringrás

Þetta er skýringarmynd af fjórgengis brunahreyfli. Blöndu af lofti og bensíngufu streymir frá karburatornum inn í strokkinn þegar stimpillinn færist niður á við (inntaksslag). Blöndun lofts og bensíngufu í strokknum er síðan þjappað saman á sama hátt og stimpillinn færist upp á við (þjöppunarslag). Vegna þess að hún er þjappuð saman á sama hátt eykst hitastig og þrýstingur blöndunnar. Samtímis kveikir kertið í blöndunni og kveikir í henni. Þegar hún brennur eykst hitastig og þrýstingur gassins. Háhita- og háþrýstingsgasið þenst út gegn stimplinum og ýtir honum niður á við (þensluslag). Brennda gasið losnar síðan út um útblástursventilinn og beint að útblástursrörinu (útblástursslag). Inntaksventillinn opnast aftur og fjórar slögin eru endurtekin.

Mikilvægt er að hafa í huga að tilgangur þjöppunarslagsins er að auka hitastig og þrýsting loft- og bensínblöndunnar. Bruni við mikinn þrýsting veldur mjög miklum hita og þrýstingi. Þar af leiðandi er þrýstikrafturinn (F = PA) sem myndast við útþensluferlið mjög mikill. Þetta leiðir til þess að mótorhjóla- eða bílvél verður öflugri. Jafnvel án þjöppunar getur loft- og bensínblöndun kviknað þegar neisti myndast í kertinu. Hins vegar er hitastig og þrýstingur brennslugassins ekki mjög hár, þannig að þrýstikrafturinn sem myndast er einnig lítill. Þar af leiðandi verður vélin minna öflug.

Orkubreytingar- og orkuflutningsferlið í fjórgengis brunahreyfli má útskýra á eftirfarandi hátt: Við bruna er efnafræðileg stöðuorka í bensíni og orkan í loftinu breytt í varma. Hluti af varmanum breytist í vélræna orku í stimpilstönginni og sveifarásnum, en hluti losnar út um útblástursrörið. Mest af vélrænu orkunni í stimpilstönginni og sveifarásnum breytist í vélræna orku í ökutækinu (þegar ökutækið er hreyft), en lítill hluti breytist í varma. Hiti myndast við núning.

Útþenslu- og þjöppunarferlið í Otto-hringrásinni má lýsa með skýringarmyndinni hér að neðan. Þessi skýringarmynd sýnir hugsjónalíkan af varmafræðilegum ferlum sem eiga sér stað í bensínknúnum brunahreyfli.

Blöndu af lofti og bensíngufu fer inn í strokkinn (a). Blöndun lofts og bensíngufu er síðan þjappað saman með hefðbundnum aðferðum (a-b). Athugið að rúmmál strokksins minnkar. Blöndun lofts og bensíngufu er hituð við fast rúmmál - blandan brennur (b-c). Brennda gasið þenst út með hefðbundnum aðferðum (c-d). Kæling við fast rúmmál - brennda gasið losnar út í útblástursrörið og ný blanda af lofti og bensíngufu fer inn í strokkinn (d-a).

Blöndu af lofti og bensíngufu fer inn í strokkinn (a). Blöndun lofts og bensíngufu er síðan þjappað saman með hefðbundnum aðferðum (a-b). Athugið að rúmmál strokksins minnkar. Blöndun lofts og bensíngufu er hituð við fast rúmmál - blandan brennur (b-c). Brennda gasið þenst út með hefðbundnum aðferðum (c-d). Kæling við fast rúmmál - brennda gasið losnar út í útblástursrörið og ný blanda af lofti og bensíngufu fer inn í strokkinn (d-a).

Díselhringrás

Virkni díselvélarinnar er svipuð og bensínvélarinnar. Munurinn liggur í upphafsþjöppunarstiginu (þjöppun með aðferðinni „adiabatic“ = þjöppun sem er gerð svo hratt að hiti hefur ekki tíma til að flæða inn í eða út úr kerfinu. Kerfið í þessu tilfelli er strokkur). Í bensínvél er þjappað saman blanda af lofti og bensíngufu, en í díselvél er aðeins loftið þjappað saman. Þjöppun með aðferðinni „adiabatic“ veldur því að hitastig og þrýstingur loftsins hækka. Næst sprautar inndælingartækið dísilolíu. Þar sem hitastig og þrýstingur loftsins eru þegar mjög háir, kviknar strax á dísilolíunni þegar dísilolían er sprautuð inn í strokkinn. Engin þörf á kerti. Athugið þrýstingsgildið sem sýnt er á myndinni hér að neðan. Berið það saman við þrýstingsgildið sem sýnt er á Otto-hringrásarmyndinni.

Þessi skýringarmynd sýnir hugsjón dísilhringrás. Í fyrstu er loftið þjappað saman með aðferðinni „adiabati“ (a-b), síðan hitað við fastan þrýsting – inndælingartækið úðar dísilolíu og bruni á sér stað (b-c), brennt gas þenst út með aðferðinni „adiabati“ (c-d), kólnar við fast rúmmál – brennt gas er þrýst út um útblástursrörið og ferskt loft fer inn í strokkinn (d-a).

Byggt á ofangreindri skýringu má álykta að hver varmavél hefur í grundvallaratriðum ákveðið vinnuefni. Vinnuefnið fyrir gufuvél er vatn, vinnuefnið fyrir bensínvél er loft og bensíngufa, vinnuefnið fyrir díselvél er loft og dísel. Vinnuefnið gleypir venjulega hita við hátt hitastig (QH ₎ , vinnur vinnu (W) og losar síðan afgangshita við lægra hitastig (QL ₎ . Þar sem orka varðveitist er QH ₌ W + _QL.

Skilvirkni hitavélarinnar

Nýtni (e) varmavélar er hlutfallið milli vinnunnar (W) sem vélin vinnur og varmainnstreymisins við hátt hitastig (Q _H ). Stærðfræðilega má rita það svona:

W er hagnaðurinn sem við fáum, en QH _er kostnaðurinn sem við berum til að kaupa og brenna eldsneyti. Sem manneskjur sem vilja alltaf ná sem mestum hagnaði og sem minnstum útgjöldum, vonum við innilega að hagnaðurinn sem við fáum (W) sé í samræmi við kostnaðinn sem við berum til (QH). Er það mögulegt?

Miðað við varðveislu orkunnar verður inntaksvarminn (QH ₎ að vera jafn unnin vinna (W) + losaður varmi (QL ₎ . Stærðfræðilega séð:

Til að tákna skilvirkni varmahreyfils sem prósentu, margfaldaðu einfaldlega skilvirknina með 100%. Miðað við skilvirknina hér að ofan, því meiri varma sem varmahreyfill losar (QL), því minni skilvirkni er hún. Við viljum mjög gjarnan losa eins lítinn varma (QL _{) og} mögulegt er. Hins vegar fæst varmainntakið (QH ₎ venjulega með því að brenna olíu, kolum, gasi o.s.frv. (eldsneyti sem við greiðum fyrir).

Þess vegna er hver varmavél í raun hönnuð til að vera eins skilvirk og mögulegt er. Þó að við viljum sem mestan ávinning af sem minnstum kostnaði, þá er raunin sú að gufuvélar eru yfirleitt um 40% skilvirkar, en brunahreyflar eru um 50%. Þetta þýðir að helmingur af hitanum sem myndast við bruna eldsneytis fer til spillis. Aðeins helmingurinn er breytt í vélræna orku.

Dæmi um spurningu 1:

Varmavél tekur upp 3000 joula af varma (QH ₎ , framkvæmir vinnu (W) og gefur frá sér 2500 joula af varma (QL ₎ . Hver er skilvirkni varmavélarinnar?

Umræða

Dæmi um spurningu 2:

Hitavél tekur í sig 3000 joula af varma (QH ₎ , vinnur (W) og gefur frá sér 2000 joula af varma (QL ₎ . Hver er skilvirkni hitavélarinnar?

Umræða

Dæmi um spurningu 3:

Hitavél tekur í sig 3000 joula af varma (QH ₎ , vinnur (W) og gefur frá sér 1500 joula af varma (QL ₎ . Hver er skilvirkni hitavélarinnar?

Umræða