Articolo sulla seconda legge della termodinamica
Tutti i processi naturali avvengono in una sola direzione, ma non possono avvenire nella direzione opposta; questi processi sono comunemente definiti irreversibili. Un mango, una volta staccatosi dal suo gambo e caduto liberamente a terra, non si muove più verso l'alto. Un libro che spingiamo e poi fermiamo non torna mai indietro. Se mettiamo a contatto un oggetto caldo con un oggetto freddo, il calore fluisce naturalmente dall'oggetto caldo a quello freddo. Non osserviamo mai il processo inverso, in cui il calore si muove naturalmente da un oggetto freddo a uno caldo. Se questo processo si verificasse, l'oggetto freddo diventerebbe più freddo, mentre l'oggetto caldo diventerebbe più caldo. Ma in realtà non è così. Esistono molti processi irreversibili che sembrano diversi tra loro, ma tutti implicano cambiamenti nella forma dell'energia e il trasferimento di energia da un oggetto all'altro.
Ad esempio, si verifica un forte terremoto che provoca il crollo di alcuni edifici (il crollo è dovuto all'energia trasportata dalle onde sismiche). Avete mai visto le singole parti dell'edificio crollato ricomporsi e tornare in piedi come prima? Oppure, ad esempio, un bicchiere cade a terra e si rompe... Avete mai visto i frammenti di vetro sparsi sul pavimento ricomporsi e formare un bicchiere integro come prima? Non è mai successo... ma ci sono molti altri esempi.
Per spiegare i processi termodinamici che avvengono in una sola direzione (processi irreversibili), gli scienziati hanno formulato la seconda legge della termodinamica. La seconda legge della termodinamica spiega quali processi possono verificarsi nell'universo e quali no. Uno scienziato di nome R.J.E. Clausius (1822–1888) fece la seguente affermazione:
Il calore si sposta spontaneamente da un oggetto ad alta temperatura a un oggetto a bassa temperatura; il calore non si sposta spontaneamente da un oggetto a bassa temperatura a un oggetto ad alta temperatura (Seconda legge della termodinamica - Enunciato di Clausius).
L'enunciato di Clausius è una formulazione particolare del secondo principio della termodinamica. Viene definito particolare perché si applica a un solo processo, ovvero il trasferimento di calore. Poiché questo enunciato non si riferisce ad altri processi, è necessaria una formulazione più generale. Lo sviluppo della formulazione generale del secondo principio della termodinamica si è basato in parte sullo studio delle macchine termiche. Pertanto, tratteremo prima le macchine termiche.
MOTORE TERMICO
Gran parte dell'energia che utilizziamo proviene dall'energia potenziale chimica contenuta nel petrolio, nel gas e nel carbone. L'energia potenziale chimica contenuta nel petrolio, nel gas o nel carbone non può essere utilizzata direttamente. Il petrolio, il gas o il carbone devono prima essere bruciati. In genere, la combustione dei combustibili fossili (petrolio, gas e carbone) produce calore. Il calore può essere utilizzato direttamente per cucinare e riscaldare una stanza. Per muovere qualcosa (ad esempio, per muovere un veicolo), dobbiamo convertire il calore in energia cinetica o energia meccanica (energia meccanica = energia potenziale + energia cinetica). Convertire l'energia meccanica in calore è un'operazione molto semplice, ma convertire il calore in energia meccanica è difficile. Provate a strofinare i palmi delle mani... sono caldi, vero? Quando strofiniamo i palmi delle mani (compiendo lavoro), l'energia meccanica viene convertita in calore. Il processo è molto semplice... Si può produrre persino una quantità infinita di calore compiendo lavoro. Ma il processo inverso, ovvero utilizzare il calore per compiere lavoro, è difficile.
Un dispositivo utilizzato per sfruttare il calore e produrre lavoro fu inventato solo nel 1700. Il dispositivo in questione era la macchina a vapore. Le macchine a vapore furono inizialmente utilizzate per pompare acqua fuori dalle miniere di carbone. È importante notare che il primo utilizzo delle macchine a vapore avvenne prima che gli scienziati sapessero che il calore è in realtà energia trasferita a causa di differenze di temperatura (la prima legge della termodinamica non era ancora stata formulata).
L'utilizzo delle macchine a vapore all'epoca era probabilmente basato sull'esperienza quotidiana che dimostrava la capacità del vapore di muovere oggetti. Le macchine a vapore sono considerate macchine termiche (una macchina termica è un dispositivo che converte il calore in energia meccanica). Oggi, le macchine a vapore vengono utilizzate per generare energia elettrica. Le moderne macchine termiche sono motori a combustione interna (motori per automobili, motori per motociclette, ecc.).
L'idea di base alla base del funzionamento di un motore termico è che il calore può essere convertito in energia meccanica solo se gli viene permesso di fluire da una regione ad alta temperatura a una regione a bassa temperatura. Durante questo processo, parte del calore viene convertita in energia meccanica (parte del calore viene utilizzata per compiere lavoro), mentre parte del calore viene ceduta alla regione a bassa temperatura. Il processo di conversione e trasferimento di energia in un motore termico è illustrato nel diagramma.
Alta temperatura (TH) e bassa temperatura (TL) è anche chiamata temperatura di esercizio del motore. Il calore che fluisce da un luogo ad alta temperatura è indicato con il simbolo QH, mentre il calore che viene rilasciato in un luogo a bassa temperatura è indicato con il simbolo QL. Quando si passa da un luogo ad alta temperatura a un luogo a bassa temperatura, si verifica un certo QH convertita in energia meccanica (utilizzata per fare lavoro), parte di essa viene rilasciata come QLIn realtà speriamo davvero che tutti QH può essere convertito in W, ma l'esperienza quotidiana dimostra che ciò è impossibile. C'è sempre una certa perdita di calore. Pertanto, in base alla conservazione dell'energia, si può concludere che QH = W + QL.
Analizziamo ora un motore termico comunemente utilizzato per convertire il calore in energia meccanica. È importante notare che considereremo solo i motori termici che svolgono lavoro in modo continuo. Affinché il lavoro venga svolto in modo continuo, il calore deve fluire ininterrottamente da una regione ad alta temperatura a una regione a bassa temperatura. Se il calore fluisce una sola volta, anche il lavoro svolto dal motore termico verrà svolto una sola volta (l'energia meccanica prodotta sarà molto piccola). Pertanto, il motore termico non può essere utilizzato in modo ottimale. Un motore termico può essere utilizzato in modo ottimale se svolge lavoro in modo continuo. In altre parole, l'energia meccanica prodotta dal motore termico è sufficiente per muovere qualcosa.
Motore a vapore
Le macchine a vapore utilizzano il vapore acqueo come fluido termovettore. Il vapore è definito come il fluido di lavoro di una macchina a vapore. Esistono due tipi di macchine a vapore: le macchine a vapore alternative e le turbine a vapore. Le loro caratteristiche costruttive differiscono leggermente, ma entrambi i tipi condividono alcune similitudini: utilizzano vapore riscaldato dalla combustione di petrolio, gas, carbone o energia nucleare.
Motore a vapore a pistoni
L'acqua contenuta in un recipiente viene solitamente riscaldata ad alta pressione. Poiché viene riscaldata ad alta pressione, il processo di ebollizione avviene ad alta temperatura. La temperatura è direttamente proporzionale alla pressione. Maggiore è la temperatura del vapore, maggiore è la pressione di vapore. Questo vapore ad alta temperatura o alta pressione attraversa la valvola di ingresso e si espande contro il pistone. Espandendosi, il vapore spinge il pistone, facendolo muovere verso destra.
Parte del calore del vapore viene convertita in energia cinetica. Quando il pistone si muove verso destra, la ruota ad esso collegata ruota (1). Dopo mezza rotazione, la ruota spinge il pistone nella sua posizione originale (2). Quando il pistone si muove verso sinistra, la valvola di ingresso si chiude automaticamente, mentre la valvola di scarico si apre automaticamente. Il vapore viene condensato dal condensatore, trasformandosi in condensa. Successivamente, l'acqua nel condensatore viene pompata nuovamente nel recipiente per essere fatta bollire. E così via… Poiché il processo si ripete continuamente, il pistone si muove continuamente a destra e a sinistra. Poiché il pistone si muove continuamente a destra e a sinistra, anche la ruota ruota continuamente. La rotazione della ruota viene solitamente utilizzata per muovere qualcosa.
turbina a vapore
Il principio di funzionamento di una turbina a vapore è essenzialmente lo stesso di quello di un motore a vapore alternativo. La differenza sta nel fatto che un motore a vapore alternativo utilizza un pistone, mentre una turbina a vapore utilizza una turbina. In un motore a vapore alternativo, il calore viene prima convertito in energia cinetica traslazionale del pistone. Successivamente, l'energia cinetica traslazionale del pistone viene convertita in energia cinetica rotazionale della ruota rotante. In una turbina a vapore, il calore viene convertito direttamente in energia cinetica rotazionale della turbina. La turbina può ruotare grazie a una differenza di pressione. La temperatura del vapore sopra la pala è molto più alta della temperatura del vapore sotto la pala. La pala è una sottile piastra situata al centro della turbina. La temperatura è direttamente proporzionale alla pressione. Poiché la temperatura del vapore sopra la pala è maggiore della temperatura del vapore sotto la pala, la pressione del vapore sopra la pala è maggiore della pressione sotto la pala. Questa differenza di pressione fa sì che il vapore spinga la pala verso il basso, causando la rotazione della turbina. La direzione di rotazione della turbina è mostrata in figura.
È importante notare che il principio di funzionamento di una macchina a vapore si basa sullo schema di trasferimento di energia spiegato in precedenza. In questo caso, l'energia meccanica può essere generata consentendo al calore di fluire da un oggetto o luogo ad alta temperatura a un oggetto o luogo a bassa temperatura. Pertanto, una differenza di temperatura è essenziale in una macchina a vapore.
Se si osserva attentamente il funzionamento di un motore a vapore alternativo, si noterà che il pistone può muoversi a destra e a sinistra anche in assenza di differenza di temperatura (non essendoci condensatore o pompa). Il movimento del pistone verso destra è dovuto all'espansione del vapore ad alta temperatura o alta pressione. In questo caso, parte del calore del vapore viene convertita in energia cinetica traslazionale del pistone. Questa energia cinetica traslazionale del pistone si converte poi in energia cinetica rotazionale della ruota. Dopo aver completato mezzo giro, la ruota spinge il pistone verso sinistra. Quando la ruota spinge il pistone verso sinistra, l'energia cinetica rotazionale della ruota si converte nuovamente in energia cinetica traslazionale del pistone. Mentre il pistone si muove verso sinistra, espelle il vapore dal cilindro. Contemporaneamente, la valvola di scarico si apre.
Pertanto, il vapore spinto dal pistone spingerà il suo omologo sotto la valvola di scarico. Ora, se la temperatura del vapore sotto la valvola di scarico è uguale alla temperatura del vapore spinto dal pistone, tutta l'energia cinetica traslazionale del pistone verrà riconvertita in energia interna del vapore. L'energia interna è direttamente proporzionale alla temperatura. Se l'energia interna del vapore aumenta, aumenta anche la temperatura del vapore. La temperatura è direttamente proporzionale alla pressione. Se la temperatura del vapore aumenta, aumenta anche la pressione del vapore. Quindi, la pressione del vapore rilasciato attraverso la valvola di scarico è uguale alla pressione del vapore che entra attraverso la valvola di aspirazione. Il pistone continuerà a muoversi continuamente a destra e a sinistra, ma non ci sarà energia cinetica totale utilizzabile (nessun lavoro totale prodotto). Quindi l'energia cinetica ricevuta dal pistone durante il processo di espansione (il pistone si muove verso destra) verrà restituita al vapore durante il processo di compressione (il pistone si muove verso sinistra).
Si conclude che in una macchina a vapore è ancora necessaria una differenza di temperatura. Questa differenza di temperatura può essere ottenuta utilizzando un condensatore. Quando la temperatura e la pressione del vapore al di sotto della valvola di scarico sono molto inferiori alla temperatura e alla pressione del vapore nel cilindro, allora quando il pistone si muove verso sinistra, la pressione che il pistone esercita sul vapore è molto inferiore alla pressione che il vapore esercita sul pistone quando questo si muove verso destra. In altre parole, il lavoro compiuto dal pistone sul vapore è molto inferiore al lavoro compiuto dal vapore sul pistone. Pertanto, solo una piccola parte dell'energia cinetica del pistone viene restituita al vapore. Di conseguenza, si produce un'energia cinetica totale, ovvero un lavoro totale. Questa energia cinetica totale viene utilizzata per muovere qualcosa.
Motore a combustione interna
I motori delle motociclette e delle automobili sono esempi di motori a combustione interna. Sono chiamati motori a combustione interna perché il processo di combustione avviene all'interno di un cilindro chiuso. I motori a combustione interna sono il risultato dell'applicazione ingegneristica del concetto di compressione ed espansione adiabatica, spiegato dalla prima legge della termodinamica.
Considereremo solo i motori a combustione interna che utilizzano benzina e gasolio come carburante. La benzina e il gasolio sono derivati del petrolio e, pertanto, possiedono energia potenziale chimica. L'energia potenziale chimica della benzina e del gasolio viene prima convertita in calore attraverso il processo di combustione. Il calore prodotto dalla combustione viene poi convertito in energia meccanica. È questa energia meccanica che permette a una motocicletta o a un'automobile di muoversi. Il ciclo in un motore a benzina è chiamato ciclo Otto, mentre il ciclo in un motore diesel è chiamato ciclo Diesel. Un ciclo è un processo termodinamico reversibile. Analizziamo innanzitutto il ciclo Otto.
ciclo Otto
Questo è lo schema di un motore a combustione interna a quattro tempi. Una miscela di aria e vapori di benzina fluisce dal carburatore nel cilindro mentre il pistone si muove verso il basso (fase di aspirazione). La miscela di aria e vapori di benzina nel cilindro viene quindi compressa adiabaticamente mentre il pistone si muove verso l'alto (fase di compressione). Poiché viene compressa adiabaticamente, la temperatura e la pressione della miscela aumentano. Contemporaneamente, la candela accende la miscela, innescandone la combustione. Durante la combustione, la temperatura e la pressione dei gas aumentano. I gas ad alta temperatura e alta pressione si espandono contro il pistone, spingendolo verso il basso (fase di espansione). I gas combusti vengono quindi espulsi attraverso la valvola di scarico e diretti verso il tubo di scarico (fase di scarico). La valvola di aspirazione si riapre e le quattro fasi si ripetono.
È importante notare che lo scopo della fase di compressione adiabatica è quello di aumentare la temperatura e la pressione della miscela aria-benzina in fase vapore. La combustione ad alta pressione produce temperature e pressioni molto elevate. Di conseguenza, la spinta (F = PA) generata durante il processo di espansione è molto grande. Ciò si traduce in un motore di motocicletta o di automobile più potente. Anche senza compressione, la miscela aria-benzina in fase vapore può incendiarsi quando la candela produce una scintilla. Tuttavia, la temperatura e la pressione dei gas combusti non sono molto elevate, quindi anche la spinta risultante è piccola. Di conseguenza, il motore diventa meno potente.
Il processo di trasformazione e trasferimento di energia in un motore a combustione interna a quattro tempi può essere spiegato come segue: durante la combustione, l'energia potenziale chimica della benzina e l'energia dell'aria vengono convertite in calore. Parte del calore viene convertita in energia meccanica nel pistone e nell'albero motore, mentre una parte viene rilasciata attraverso il tubo di scarico. La maggior parte dell'energia meccanica nel pistone e nell'albero motore viene convertita in energia meccanica del veicolo (movimento del veicolo), mentre una piccola parte viene convertita in calore. Il calore viene generato dall'attrito.
Il processo di espansione e compressione adiabatica nel ciclo Otto può essere illustrato dal diagramma sottostante. Questo diagramma mostra un modello idealizzato dei processi termodinamici che avvengono in un motore a combustione interna alimentato a benzina.
Una miscela di aria e vapore di benzina entra nel cilindro (a). La miscela di aria e vapore di benzina viene quindi compressa adiabaticamente (a-b). Si noti che il volume del cilindro diminuisce. La miscela di aria e vapore di benzina viene riscaldata a volume costante: la miscela brucia (b-c). Il gas combusto subisce un'espansione adiabatica (c-d). Raffreddamento a volume costante: il gas combusto viene scaricato nel tubo di scarico e una nuova miscela di aria + vapore di benzina entra nel cilindro (d-a).
Una miscela di aria e vapore di benzina entra nel cilindro (a). La miscela di aria e vapore di benzina viene quindi compressa adiabaticamente (a-b). Si noti che il volume del cilindro diminuisce. La miscela di aria e vapore di benzina viene riscaldata a volume costante: la miscela brucia (b-c). Il gas combusto subisce un'espansione adiabatica (c-d). Raffreddamento a volume costante: il gas combusto viene scaricato nel tubo di scarico e una nuova miscela di aria + vapore di benzina entra nel cilindro (d-a).
Ciclo diesel
Il principio di funzionamento di un motore diesel è simile a quello di un motore a benzina. La differenza risiede nella fase iniziale di compressione adiabatica (compressione adiabatica = compressione che avviene così rapidamente da non permettere al calore di fluire all'interno o all'esterno del sistema. In questo caso, il sistema è un cilindro). Mentre in un motore a benzina viene compressa una miscela di aria e vapori di benzina, in un motore diesel viene compressa solo l'aria. La compressione adiabatica provoca un aumento della temperatura e della pressione dell'aria. Successivamente, l'iniettore spruzza il gasolio. Poiché la temperatura e la pressione dell'aria sono già molto elevate, quando il gasolio viene spruzzato nel cilindro, si incendia immediatamente. Non è necessaria la candela. Si noti il valore di pressione mostrato nel diagramma sottostante. Confrontarlo con il valore di pressione mostrato nel diagramma del ciclo Otto.
Questo diagramma mostra un ciclo Diesel ideale. Inizialmente, l'aria viene compressa adiabaticamente (a-b), quindi riscaldata a pressione costante – l'iniettore spruzza il gasolio e avviene la combustione (b-c), i gas combusti subiscono un'espansione adiabatica (c-d), si raffreddano a volume costante – i gas combusti vengono espulsi attraverso il tubo di scarico e l'aria fresca entra nel cilindro (d-a).
In base alla spiegazione precedente, si può concludere che ogni motore termico ha fondamentalmente una specifica sostanza di lavoro. La sostanza di lavoro per una macchina a vapore è l'acqua, la sostanza di lavoro per un motore a benzina è l'aria e il vapore di benzina, la sostanza di lavoro per un motore diesel è l'aria e il gasolio. La sostanza di lavoro di solito assorbe calore ad alta temperatura (QH ) , compie lavoro (W) e poi rilascia il calore rimanente a una temperatura inferiore (QL ) . Poiché l'energia si conserva, QH = W + QL.
Efficienza del motore termico
L'efficienza (e) di un motore termico è il rapporto tra il lavoro (W) svolto dal motore e l'apporto di calore ad alta temperatura (QH ) . Matematicamente, può essere scritta in questo modo:
W rappresenta il profitto che otteniamo, mentre QH è il costo che sosteniamo per acquistare e bruciare il combustibile. In quanto esseri umani che desiderano sempre ottenere il massimo profitto possibile e minimizzare le spese, speriamo vivamente che il profitto che otteniamo (W) sia commisurato al costo che sosteniamo (QH). È possibile?
In base al principio di conservazione dell'energia, il calore in ingresso (Q H ) deve essere uguale al lavoro (W) compiuto + il calore rilasciato (Q L ). Matematicamente:
Per esprimere l'efficienza di un motore termico in percentuale, è sufficiente moltiplicare l'equazione di efficienza per 100%. In base all'equazione di efficienza sopra riportata, maggiore è la quantità di calore ceduto (Q L ) da un motore termico, minore è la sua efficienza. L'ideale sarebbe ridurre al minimo la quantità di calore ceduto (Q L ). Tuttavia, il calore in ingresso (Q H ) viene solitamente ottenuto bruciando petrolio, carbone, gas, ecc. (combustibili che paghiamo).
Pertanto, ogni motore termico è essenzialmente progettato per essere il più efficiente possibile. Sebbene si desideri ottenere il massimo beneficio con la minima spesa, la realtà è che i motori a vapore hanno in genere un'efficienza di circa il 40%, mentre i motori a combustione interna raggiungono circa il 50%. Ciò significa che metà del calore prodotto dalla combustione del combustibile viene sprecato. Solo la metà viene convertita in energia meccanica.
Esempio di domanda 1:
Un motore termico assorbe 3000 Joule di calore (QH ) , compie lavoro (W) e rilascia 2500 Joule di calore (QL ) . Qual è il rendimento del motore termico?
Discussione
Esempio di domanda 2:
Un motore termico assorbe 3000 Joule di calore (QH ) , compie lavoro (W) e rilascia 2000 Joule di calore (QL ) . Qual è il rendimento del motore termico?
Discussione
Esempio di domanda 3:
Un motore termico assorbe 3000 Joule di calore (QH ) , compie lavoro (W) e rilascia 1500 Joule di calore (QL ) . Qual è il rendimento del motore termico?
Discussione
