과학자들은 비가역적인 열역학적 과정을 설명하기 위해 열역학 제2법칙을 정립했습니다. 열역학 제2법칙은 우주에서 어떤 과정이 일어날 수 있고 어떤 과정은 일어날 수 없는지를 설명합니다. RJE 클라우시우스(1822-1888)라는 과학자는 다음과 같이 말했습니다.
열은 당연히 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동하며, 저온의 물체에서 고온의 물체로 이동하지 않습니다 (열역학 제2법칙 - 클라우시우스의 주장).
클라우시우스의 명제는 열역학 제2법칙의 특수 명제 중 하나입니다. 이 명제가 특수 명제라고 불리는 이유는 열 전달과 관련된 단 하나의 과정에만 적용되기 때문입니다. 이 명제는 다른 과정들과는 관련이 없으므로, 보다 일반적인 명제가 필요합니다. 열역학 제2법칙의 일반 명제를 도출하기 위한 연구는 열기관에 대한 연구를 기반으로 합니다. 따라서 먼저 열기관의 열에 대해 살펴보겠습니다.
열 엔진
우리가 사용하는 에너지의 대부분은 석유, 가스, 석탄에 저장된 화학적 위치 에너지에서 비롯됩니다. 이러한 화학적 위치 에너지를 직접 활용하려면 먼저 연소시켜야 합니다. 일반적으로 화석 연료(석유, 가스, 석탄)를 태우면 열이 발생합니다. 이 열은 음식을 조리하거나 난방을 하는 데 직접 사용할 수 있습니다. 또한, 물체를 움직이려면(예: 차량을 움직이려면) 열을 운동 에너지 또는 기계 에너지로 변환해야 합니다(기계 에너지 = 위치 에너지 + 운동 에너지).
열을 이용해 일을 하는 도구가 1700년에 발명되었습니다. 그것은 바로 증기 기관이었습니다. 증기 기관은 처음에는 탄광에서 물을 퍼내는 데 사용되었습니다.
증기기관은 증기가 물체를 움직일 수 있다는 점에서 사용되었습니다. 증기기관에는 열기관(열을 기계 에너지로 변환하는 장치)이 포함됩니다. 현재 증기기관은 전기 에너지를 생산하는 데 사용됩니다. 현대의 열기관은 자동차 엔진, 오토바이 엔진 등과 같은 내연기관입니다.
열기관의 기본 원리는 고온에서 저온으로 열이 흐르면 열에너지가 기계에너지로 변환된다는 것입니다. 이 과정에서 일부 열은 기계에너지로 변환되고(일을 하는 데 사용됨), 나머지 열은 저온 영역으로 방출됩니다. 열기관에서 에너지의 형태 변화와 에너지 전달 과정은 다음 그림과 같습니다.
고온(T)H) 및 저온(T)L)는 기계 작동 온도라고 합니다. QH 고온에서 열이 흐르는 반면, Q는L 열은 저온으로 흐릅니다. 고온에서 저온으로 흐를 때, 일부 열은 기계 에너지(일하는 데 사용됨)로 변환되고, 일부는 Q로 방출됩니다.L모든 열이 일(W)로 변환될 수는 없으며, 항상 방출되는 열(Q)이 있습니다.L따라서 에너지 보존 법칙에 따라 Q는 다음과 같습니다.H = W + QL.
열기관에는 증기기관과 내연기관을 포함하여 여러 종류가 있습니다.
증기 기관
증기기관은 수증기를 열 전달 매체로 사용합니다. 증기는 작동 유체입니다. 증기기관에는 교류 증기기관과 터빈 증기기관 두 종류가 있습니다. 이 두 종류의 증기기관은 설계 방식은 다르지만, 석유, 가스, 석탄을 연소시키거나 핵에너지를 이용하여 가열한 증기를 사용합니다.
내부 연소 엔진
오토바이 엔진과 자동차 엔진은 내연기관의 예입니다. 연소 과정이 밀폐된 실린더 내부에서 일어나기 때문에 내연기관이라고 불립니다. 내연기관의 존재는 단열 압축 및 팽창이라는 공학적 개념의 결과입니다.
열기관 효율
열기관의 효율(e)은 고온 열 입력(Q H )에 대해 기계가 수행한 일(W)을 비교한 것입니다.
W는 얻은 이익이고, QH 는 연료를 구매하고 연소하는 데 드는 비용입니다. 인간은 항상 최대의 이익과 최소의 비용을 추구하기 때문에 이익 증가(W)가 지출(QH)에 비례하기를 바랍니다 . 과연 그럴 수 있을까요?
에너지 보존 법칙에 따라 열(Q H )은 일(W) + 방출된 열(Q L ) 과 같아야 합니다.
방정식 1의 W를 방정식 2의 W로 대체합니다.
이것은 열기관 효율에 대한 방정식입니다.
질문 1 :
열기관이 3000 줄(Q H )의 열을 흡수하고, 일(W)을 하며, 2500 줄(Q L )의 열을 방출합니다. 열기관의 열효율을 계산하세요.
해법
열기관 효율 = 17%.
질문 2 :
열기관이 3000 줄의 열(Q H )을 흡수하고, 일(W)을 하며, 2000 줄의 열(Q L )을 방출합니다. 이 열기관의 효율을 계산하세요.
해법
열기관 효율 = 34%.
질문 3 :
열기관이 3000줄의 열(QH)을 흡수하고 , 일(W)을 하며, 1500줄의 열( QL ) 을 방출합니다 . 이 열기관의 효율을 계산하세요.
해법
열기관 효율 = 50%.
