Термодинамиканың екінші заңын жылу қозғалтқыштарына қолдану
Жылу қозғалтқышы технология тарихындағы ең маңызды өнертабыстардың бірі болып табылады, себебі ол адамдарға жылу энергиясын пайдалы механикалық жұмысқа айналдыруға мүмкіндік берді. Өнеркәсіптік революцияның бу қозғалтқыштарынан бастап қазіргі заманғы көліктердегі газ турбиналары мен іштен жану қозғалтқыштарына дейін жылу қозғалтқышының негізгі тұжырымдамасы өзгеріссіз қалады: жылу көзі, жылу қабылдағыш және өндірілген жұмыс. Бірақ барлық жылуды 100% жағдайда жұмысқа айналдыруға бола ма? Неліктен әрқашан сөзсіз «шығындар» болады? Жауап термодинамиканың екінші заңында жатыр. Бұл заң тек теориялық ереже емес, сонымен қатар жылу қозғалтқышының қаншалықты тиімді жұмыс істей алатынын және оны қалай жобалау керектігін анықтайтын негізгі шектеу болып табылады.
Жылу қозғалтқыштарына шолу
Қарапайым тілмен айтқанда, жылу қозғалтқышы - бұл кіретін жылу энергиясының бір бөлігін жұмысқа айналдыру үшін циклдік түрде жұмыс істейтін жүйе. Бір циклде қозғалтқыш ыстық резервуардан жылуды сіңіреді (мысалы, отынның жануы немесе ядролық реактор), жұмыс жасайды (мысалы, білікті айналдыру), содан кейін қалған жылуды суық резервуарға жібереді (мысалы, сыртқы ауаға немесе салқындатқыш суға). Бұл үш элемент - ыстық резервуар, қозғалтқыш және суық резервуар - нақты жылу қозғалтқышында әрқашан болады.
Егер біз жалпы белгіні қолдансақ:
– Құрылғы жылу көзінен Qₕ (жылу кірісі) мөлшерінде жылуды сіңіреді.
– Машина Вт жұмысын орындайды.
– Құрылғы қоршаған ортаға немесе суық көзге Q𝑐 мөлшерінде жылу бөледі.
Сәйкес Термодинамиканың бірінші заңы (энергияны үнемдеу) қолданылады:
Qₕ = W + Q𝑐
Бұл өндірілген жұмыс жылу шығыны мен жоғалған жылу арасындағы айырмашылық екенін білдіреді. Дегенмен, Бірінші заң Q𝑐 неге нөлге тең бола алмайтынын түсіндірмейді. Бұл жерде Екінші заң шешуші рөл атқарады.
Термодинамиканың екінші заңының тұжырымдамасы
Термодинамиканың екінші заңын бірнеше балама түрде айтуға болады, бірақ жылу қозғалтқыштарына ең қатысты екі тұжырым:
1. Кельвин-Планк тұжырымы:
Бір резервуардан сіңірілген барлық жылуды басқа резервуарға бермей жұмысқа айналдыратын және цикл бойынша жұмыс істейтін жылу қозғалтқышын жасау мүмкін емес.
Басқаша айтқанда, жылу қозғалтқышының 100% тиімділікке ие болуы мүмкін емес.
2. Клаузиус тұжырымы:
Сыртқы жұмыссыз жылудың суық заттан ыстық затқа ауысуы мүмкін емес.
Бұл тоңазытқыштарға/кондиционерлерге электр энергиясының неліктен қажет екенін түсіндіреді: жылуды табиғи бағытына қарсы «мәжбүрлеу».
Екі тұжырым да бір қағиданы сипаттайды: табиғи процестердің бағыты (қайтымсыздығы) бар және жылу энергиясын пайдалы энергияға айналдырудың түбегейлі шектеулері бар .
Энтропия және процестің бағыты
Екінші заңнан туындайтын негізгі ұғым - энтропия (S), бұл шама көбінесе энергияның таралуының немесе ретсіздік дәрежесінің өлшемі ретінде түсініледі, дегенмен оның термодинамикалық анықтамасы формальды. Қайтымды процесс үшін энтропияның өзгеруі келесідей анықталады:
dS = δQ_rev / T
Екінші заңда оқшауланған жүйе үшін жалпы энтропия ешқашан төмендемейтіні айтылады:
ΔS_жалпы ≥ 0
Жылу қозғалтқышы жағдайында жылу ыстық көзден суық көзге өткен кезде жалпы энтропия артуға бейім. Қозғалтқыш жұмыс істеуі үшін ол жылу энергиясының осы «ағынын» пайдаланады, бірақ ол жалпы энтропияның азаймауы керек деген талапты орындауы керек. Демек, жылудың бір бөлігі әрқашан суық резервуарға жіберілуі керек. Бұл қабылдамау тек техникалық шығын ғана емес, сонымен қатар энтропия талабының орындалуының негізгі талабы болып табылады.
Жылу қозғалтқышының тиімділігі және Карно шегі
Жылу қозғалтқышының жылулық тиімділігі жылу көзінен сіңірілген жылуға қатынасы ретінде анықталады:
η = W / Qₕ = (Qₕ − Q𝑐) / Qₕ = 1 − (Q𝑐 / Qₕ)
Екінші заң η-нің максималды мәнін шектейді. Теориялық тұрғыдан ең тиімді жылу қозғалтқышы - Карно қозғалтқышы, ол Кельвин бойынша Tₕ (ыстық) және T𝑐 (суық) температурада екі резервуар арасында қайтымды жұмыс істейтін идеалды қозғалтқыш. Карноның максималды тиімділігі келесі формуламен беріледі:
η_Карно = 1 − (T𝑐 / Tₕ)
Бұл формула екі маңызды нәрсені көрсетеді:
1. Максималды тиімділік тек резервуар температурасына байланысты, жұмыс сұйықтығының түріне немесе қозғалтқыштың құрылымының егжей-тегжейлеріне емес.
2. үшін тиімділікті арттыру, біз Tₕ-ді арттыруымыз немесе T𝑐-ді азайтуымыз керек. Дегенмен, екеуі де материалдармен, қауіпсіздікпен, құнымен және қоршаған орта жағдайларымен шектеледі.
Мысал: егер Tₕ = 900 K және T𝑐 = 300 K болса, онда:
η_Карно = 1 − 300/900 = 1 − 1/3 = 0,667 (66,7%)
Бұл идеалды шек. Нақты қозғалтқыштардың үйкеліс, жылу жоғалту, толық емес жану және басқа да қайтымсыз факторларға байланысты тиімділігі төмен болады.
Нақты машиналардағы қайтымсыздық
Екінші заң сонымен қатар нақты қозғалтқыштардың неге ешқашан Карно тиімділігіне жетпейтінін түсіндіреді. Негізгі себеп - қайтымсыздық, яғни энтропияны тудыратын процесс. Жылу қозғалтқыштарындағы қайтымсыздықтың кейбір көздеріне мыналар жатады:
– Біліктерге, мойынтіректер мен қозғалатын бөлшектерге механикалық үйкеліс.
– Жылудың үлкен температура айырмашылығы арқылы берілуі, мысалы, әлдеқайда ыстық жану камерасынан жұмыс сұйықтығына жылу беру; бұл беріліс түрі идеалды процеске қарағанда үлкен энтропияны тудырады.
– Құбырлардағы, клапандардағы және турбинадағы сұйықтық ағынындағы турбуленттілік және қысымның жоғалуы.
– Газ бен ауаның немесе жану өнімдерінің қайтымсыз араласуы.
– Жанудың өзі өте қайтымсыз процесс.
Мұның бәрі жалпы энтропияны арттырады және жұмыс өндіру әлеуетін «пайдаланады», сондықтан тиімділік төмендейді.
Іштен жанатын қозғалтқыштарда және бу электр станцияларында қолданылуы
Іштен жану қозғалтқыштарында (мысалы, бензин және дизельді қозғалтқыштарда) жылу көзі цилиндр ішіндегі жану реакциясынан келеді. Қозғалтқыш жану кезінде жоғары температурада жылуды (тиімді) сіңіреді, содан кейін жылуды пайдаланылған газдар мен салқындату жүйесі (радиатор) арқылы шығарады. Екінші заң көлік қозғалтқыштарының неліктен үнемі көп мөлшерде қалдық жылу шығаратынын түсіндіреді: отынның барлық энергиясын білік жұмысына айналдыру мүмкін емес.
Бумен жұмыс істейтін қондырғыда ( PLTU) турбинаны айналдыру үшін су жоғары қысымды буға қыздырылады. Турбинадан өткеннен кейін бу суға оралу үшін конденсаторда салқындатылады және қайтадан айдалады . Бұл конденсатор суық резервуар ретінде қызмет етеді. Көптеген адамдар конденсаторды «энергияны босқа шығындау» деп санайды, бірақ термодинамикалық тұрғыдан алғанда, жылудың таралуы циклдің жалғасуы және толық энтропияның Екінші заңға қайшы келмеуі үшін қажет. Сондықтан, PLTU әдетте салқындату үшін үлкен су көздерінің жанында салынады немесе салқындату мұнараларын пайдаланады.
Екінші заңға негізделген өнімділікті жақсарту стратегиялары
Екінші заң шектеулер қойғандықтан, жылу қозғалтқыштарын жетілдіру қайтымсыздықты азайтуға және тиімді температура диапазонын кеңейтуге бағытталған. Кейбір кең таралған стратегияларға мыналар жатады:
– Турбина кірісінің температурасын арттыру үшін Ранкин циклінде (PLTU) қыздыру және қайта қыздыру.
– Қазандықтың жылу қажеттіліктерін азайтып, қоректік суды жылыту үшін қалдық жылуды пайдалану үшін регенерация (қоректік су жылытқышы).
– Біріктірілген цикл (біріктірілген газ-бу циклі), мұнда қалдық жылу газ турбинасы бу турбинасын айналдыратын бу өндіру үшін қолданылады. Бұл пайдалануды арттырады жылу энергиясын және жүйені жақындатады тиімділіктің жоғары шектеулері.
– Компоненттердің жұмыс істеуіне мүмкіндік беретін материалды жақсартулар жоғары температура зақымдалмай, Tₕ артады.
– Турбина аэродинамикалық дизайны, жақсырақ майлау және сұйықтық жолын оңтайландыру арқылы үйкеліс пен ағын шығындарын азайтыңыз.
Бұл күш-жігердің барлығы Екінші Заңның практикалық қолданылуы болып табылады: энтропияны басқару және энтропия өндірісін басу, осылайша көбірек жылу энергиясын жұмысқа айналдыруға болады.
Қорытынды
Термодинамиканың екінші заңын жылу қозғалтқыштарына қолдану ешбір технология жеңе алмайтын іргелі шекті ашады: ешбір қозғалтқыш барлық жылуды бір циклде жұмысқа айналдыра алмайды. Суық резервуарлар мен жылу раковиналарының болуы жай ғана жобалау кемшілігі емес, процестің табиғи бағытының және энтропияның артуының тікелей салдары. Тиімділік тұжырымдамалары, Карно шегі және қайтымсыздықты талдау арқылы Екінші заң автомобиль қозғалтқыштарынан бастап ірі электр станцияларына дейін тиімдірек қозғалтқыштарды жобалаудың негізгі нұсқаулығын ұсынады. Екінші заңды түсіну арқылы біз тек «тиімділіктің неге шектеулі екенін» ғана емес, сонымен қатар жылу қозғалтқыштарын табиғат рұқсат еткен оңтайлы өнімділікке жақындату үшін «қай жерде жақсарту керектігін» де білеміз.
