Fir déi irreversibel thermodynamesch Prozesser z'erklären, hunn d'Wëssenschaftler dat zweet Gesetz vun der Thermodynamik formuléiert. Dat zweet Gesetz vun der Thermodynamik erkläert, wéi eng Prozesser am Universum optriede kënnen a wéi eng net. Ee Wëssenschaftler mam Numm RJE Clausius (1822-1888) huet déi folgend Ausso gemaach:
Natierlech beweegt sech Hëtzt vun Objeten mat héijer Temperatur op Objeten mat niddreger Temperatur; natierlech geet Hëtzt net vun Objeten mat niddreger Temperatur op Objeten mat héijer Temperatur iwwer (Zweet Gesetz vun der Thermodynamik - Clausius seng Ausso).
D'Ausso vum Clausius ass eng vun de spezielle Aussoen vum zweete Gesetz vun der Thermodynamik. Si gëtt speziell Ausso genannt, well se nëmmen op ee Prozess zoutrefft, deen am Zesummenhang mat der Wärmetransfer steet. Well dës Ausso näischt mat anere Prozesser ze dinn huet, brauche mir eng méi allgemeng Ausso. D'Entwécklung vun enger allgemenger Ausso vum zweete Gesetz vun der Thermodynamik baséiert op der Studie vun Hëtzemotoren. Dofir diskutéiere mir als éischt d'Hëtzt vun de Motoren.
Hëtzt Motor
Vill vun der Energie, déi mir benotzen, kënnt vun der chemescher potenzieller Energie, déi a Pëtrol, Gas a Kuel enthale ass. Chemesch potenziell Energie, déi direkt benotzt soll ginn, muss als éischt verbrannt ginn. Normalerweis produzéiert d'Verbrenne vu fossile Brennstoffer (Ueleg, Gas a Kuel) Hëtzt. Hëtzt kann direkt benotzt ginn, fir Iessen ze kachen oder Raim ze heizen. Fir eppes ze beweegen (z.B. e Gefier ze beweegen), musse mir Hëtzt a kinetesch Energie oder mechanesch Energie ëmwandelen (mechanesch Energie = potenziell Energie + kinetesch Energie).
En Instrument, dat Hëtzt benotzt fir Aarbecht ze maachen, gouf am Joer 1700 entdeckt. Et war eng Dampmaschinn. D'Dampmaschinn gouf fir d'éischt benotzt fir Waasser aus enger Kuelegrouf ze pompelen.
Dampmaschinne ginn benotzt, well Damp Saache beweege kann. Dampmaschinne enthalen eng Hëtzemaschinn (eng Hëtzemaschinn ass en Instrument fir Hëtzt a mechanesch Energie ëmzewandelen). Elo gëtt d'Dampmaschinn benotzt fir elektresch Energie ze generéieren. Modern Hëtzemaschinne si Verbrennungsmotoren wéi Automotoren, Motorradmotoren, etc.
Déi grondleeënd Iddi hannert der Notzung vun Hëtzemotoren ass, datt d'Hëtzt a mechanesch Energie ëmgewandelt ka ginn, wann d'Hëtzt vun héijen Temperaturen op niddreg Temperaturen fléisse kann. Wärend dësem Prozess gëtt en Deel vun der Hëtzt a mechanesch Energie ëmgewandelt (en Deel vun der Hëtzt gëtt benotzt fir d'Aarbecht ze maachen), en Deel vun der Hëtzt gëtt op Plazen mat niddreger Temperatur ofgelooss. De Prozess vun der Ännerung vun der Form vun der Energie an dem Energietransfer an der Hëtzemotor gesäit wéi dëst Diagramm aus.
Héich Temperatur (TH) an niddreg Temperatur (TL) ginn d'Betribstemperatur vun der Maschinn genannt. QH ass d'Hëtzt, déi vun der héijer Temperatur fléisst, während QL ass Hëtzt, déi an déi niddreg Temperatur fléisst. Beim Fléiss vun héijen Temperaturen op niddreg Temperaturen gëtt en Deel vun der Hëtzt a mechanesch Energie ëmgewandelt (benotzt fir ze schaffen), en Deel vun der Hëtzt gëtt als Q entsuergt.LNet all Hëtzt kann an Aarbecht (W) ëmgewandelt ginn, et gëtt ëmmer Hëtzt déi fräigesat gëtt (Q).L). Dofir, baséiert op der Energieerhaalung, QH = W + QL.
Et gëtt verschidde Wärmemotoren, dorënner Dampmaschinnen a Verbrennungsmotoren.
Dampmaschinnen
Dampmaschinne benotze Waasserdamp als Wärmetransfermëttel. Damp ass Aarbechtsflëssegkeet. Et gëtt zwou Zorte vun Dampmaschinnen: Wiesseldampmaschinnen an Turbindampmaschinnen. Den Design vun dëser Maschinn ass ënnerschiddlech, awer dës zwou Zorte vun Dampmaschinne benotzen Damp, deen duerch d'Verbrenne vun Ueleg, Gas, Kuel oder mat Hëllef vun Atomenergie erhëtzt gëtt.
Verbrennungsmotoren
Motorradmotoren an Automotoren si Beispiller vu Verbrennungsmotoren. Si ginn Verbrennungsmotor genannt, well de Verbrennungsprozess a zouenen Zylinderen stattfënnt. D'Präsenz vun engem Verbrennungsmotor ass d'Resultat vum Ingenieurskonzept vun der adiabatescher Kompressioun an Expansioun.
Effizienz vun der Hëtztmotor
D'Effizienz vun der Hëtzemaschinn (e) ass e Verglach tëscht der Aarbecht (W), déi vun der Maschinn mat enger Hëtzezufuhr bei héijer Temperatur (Q) ausgefouert gëtt.H).
W ass de krittene Gewënn, während QH sinn d'Käschte fir de Kaf a Verbrenne vu Brennstoff. Als Mënschen, déi ëmmer de maximale Profit an déi klengst Ausgaben erreeche wëllen, hoffen mir, datt de Profitgewënn (W) proportional zu de Käschten ass, déi mir ausginn (QH). Kéint dat geschéien?
Baséierend op der Energieerhaalung, Hëtzt (QH) muss gläich Aarbecht (W) + ofgeloossen Hëtzt (Q) sinnL).
Ersetzt W an der Equatioun 1 duerch W an der Equatioun 2
Dëst ass d'Equatioun vun der Effizienz vun der Hëtzemotor.
Fro 1:
Eng Hëtztmaschinn absorbéiert 3000 Joule (QH) Hëtzt, mécht Aarbecht (W) a läscht 2500 Joule (Q) ewechL) Hëtzt. Berechent d'Hëtzeffizienz vum Motor.
Léisung
Effizienz vun der Hëtzemotor = 17%.
Fro 2:
Eng Hëtztmaschinn absorbéiert 3000 Joule Hëtzt (QH), mécht Aarbecht (W) a läscht 2000 Joule Hëtzt (Q) ewechL). Berechent d'Effizienz vun der Hëtzemaschinn.
Léisung
Effizienz vun der Hëtzemotor = 34%.
Fro 3:
Eng Hëtztmaschinn absorbéiert 3000 Joule Hëtzt (QH), mécht Aarbecht (W) a produzéiert bis zu 1500 Joule Hëtzt (Q)L). Berechent d'Effizienz vun enger Hëtzemaschinn?
Léisung
Effizienz vun der Hëtzemotor = 50%.
