Straipsnis apie antrąjį termodinamikos dėsnį
Visi gamtoje vykstantys procesai vyksta tik viena kryptimi ir negali vykti priešinga kryptimi, tai paprastai vadinama negrįžtamaisiais procesais. Paleidęs mangą nuo stiebo ir laisvai nukritęs ant žemės, jis daugiau niekada nejuda aukštyn. Knyga, kurią pastumiame ir sustojame, niekada nebegrįžta link mūsų. Jei paliečiame aukštos temperatūros objektą (karštą objektą) žemos temperatūros objektu (šaltu objektu), šiluma natūraliai teka iš aukštos temperatūros objekto į žemos temperatūros objektą. Niekada nematome atvirkštinio proceso, kai šiluma natūraliai pereina iš šalto objekto į karštą objektą. Jei šis procesas vyktų, šaltas objektas taptų šaltesnis, o karštas – karštesnis. Tačiau iš tikrųjų taip nėra. Yra daug negrįžtamų procesų, kurie atrodo skirtingi vienas nuo kito, tačiau visi jie apima energijos formos pokyčius ir energijos perdavimą iš vieno objekto į kitą.
Pavyzdžiui, įvyksta galingas žemės drebėjimas, dėl kurio sugriūva pastatai (pastatai griūva dėl žemės drebėjimų bangų nešamos energijos). Ar kada nors matėte, kaip kiekviena sugriuvusio pastato dalis vėl atsistoja kaip anksčiau? Arba, pavyzdžiui, stiklas nukrenta ant grindų ir sudūžta... Ar kada nors matėte, kaip ant grindų išsibarstę stiklo šukės vėl susijungia ir sudaro stiklą, kuris yra vientisas kaip anksčiau? Taip niekada nebuvo... yra daug kitų pavyzdžių.
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 :
Šiluma pati savaime juda iš aukštos temperatūros objekto į žemos temperatūros objektą; šiluma pati savaime nejudės iš žemos temperatūros objekto į aukštos temperatūros objektą (Antrasis termodinamikos dėsnis – Klausijaus teiginys).
Klausijaus teiginys yra specialus antrojo termodinamikos dėsnio teiginys. Jis vadinamas specialiuoju teiginiu, nes jis taikomas tik vienam procesui – šilumos perdavimui. Kadangi šis teiginys nesusijęs su kitais procesais, mums reikia bendresnio teiginio. Bendrojo antrojo termodinamikos dėsnio teiginio sukūrimas iš dalies buvo pagrįstas šilumos variklių tyrimais. Todėl pirmiausia aptarsime šilumos variklius.
Šilumos variklis
Didžioji dalis mūsų naudojamos energijos gaunama iš cheminės potencialinės energijos, esančios naftoje, dujose ir anglyse. Cheminės potencialinės energijos, esančios naftoje, dujose ar anglyse, negalima panaudoti tiesiogiai. Nafta, dujos ar anglis pirmiausia turi būti sudegintos. Paprastai deginant iškastinį kurą (naftą, dujas ir anglį), išsiskiria šiluma. Šiluma gali būti naudojama tiesiogiai maistui gaminti ir kambariui šildyti. Norėdami ką nors pajudinti (pavyzdžiui, transporto priemonę), turime šilumą paversti kinetine arba mechanine energija (mechaninė energija = potencialinė energija + kinetinė energija). Mechaninę energiją paversti šiluma yra labai lengva, bet šilumą paversti mechanine energija – sunku. Pabandykite patrinti delnus... jūsų delnai karšti, tiesa? Kai patriname delnus (mes dirbame), mechaninė energija paverčiama šiluma. Procesas yra labai paprastas... Atliekant darbą galima pagaminti net begalinę šilumą. Tačiau atvirkštinis procesas, būtent šilumos panaudojimas darbui atlikti, yra sudėtingas.
Įtaisas, naudojamas šilumai panaudoti darbui atlikti, buvo išrastas tik 1700 m. Aptariamas įrenginys buvo garo variklis. Garo varikliai pirmą kartą buvo naudojami vandeniui išpumpuoti iš anglių kasyklų. Svarbu pažymėti, kad garo varikliai pirmą kartą buvo panaudoti dar prieš mokslininkams suprantant, kad šiluma iš tikrųjų yra energija, perduodama dėl temperatūrų skirtumų (pirmasis termodinamikos dėsnis dar nebuvo suformuluotas).
Garo variklių naudojimas tuo metu greičiausiai buvo pagrįstas kasdiene patirtimi, rodančia, kad garai gali judinti daiktus. Garo varikliai laikomi šiluminiais varikliais (šiluminis variklis = įtaisas, skirtas šilumai paversti mechanine energija). Šiandien garo varikliai naudojami elektros energijai gaminti. Šiuolaikiniai šiluminiai varikliai yra vidaus degimo varikliai (automobilių varikliai, motociklų varikliai ir kt.).
Pagrindinė šiluminio variklio naudojimo idėja yra ta, kad šiluma gali būti paversta mechanine energija tik tada, kai ji perduodama iš aukštos temperatūros srities į žemos temperatūros sritį. Šio proceso metu dalis šilumos paverčiama mechanine energija (dalis šilumos sunaudojama darbui atlikti), o dalis atiduodama į žemos temperatūros sritį. Energijos virsmo ir energijos perdavimo procesas šiluminiame variklyje parodytas diagramoje.
Aukšta temperatūra (TH) ir žema temperatūra (TL) taip pat vadinama variklio darbine temperatūra. Šiluma, sklindanti iš aukštos temperatūros vietos, žymima simboliu QH, o šiluma, kuri išsiskiria į žemos temperatūros vietą, žymima simboliu QL. Kai teka iš aukštos temperatūros vietos į žemos temperatūros vietą, kai kurie QH paverčiama mechanine energija (naudojama darbui atlikti), dalis jos išsiskiria kaip QLIš tiesų mes labai tikimės, kad visi QH galima konvertuoti į W, tačiau kasdienė patirtis rodo, kad tai neįmanoma. Visada prarandama šiek tiek šilumos. Taigi, remiantis energijos tvermės dėsniu, galima daryti išvadą, kad QH = W + QL.
Dabar apžvelkime šiluminį variklį, dažniausiai naudojamą šilumai paversti mechanine energija. Svarbu atkreipti dėmesį, kad nagrinėjame tik tuos šiluminius variklius, kurie atlieka nuolatinį darbą. Kad darbas būtų atliekamas nuolat, šiluma turi nuolat tekėti iš aukštos temperatūros srities į žemos temperatūros sritį. Jei šiluma teka tik vieną kartą, šiluminio variklio atliekamas darbas taip pat bus atliekamas tik vieną kartą (gaminama mechaninė energija bus labai maža). Todėl šiluminis variklis negali būti optimaliai panaudotas. Šiluminis variklis gali būti optimaliai panaudotas, jei jis atlieka darbą nuolat. Kitaip tariant, šiluminio variklio pagamintos mechaninės energijos pakanka, kad būtų galima ką nors pajudinti.
Garo variklis
Garo varikliai kaip šilumos perdavimo terpę naudoja vandens garus. Garas vadinamas garo variklio darbine medžiaga. Yra dviejų tipų garo varikliai: stūmokliniai garo varikliai ir turbininiai garo varikliai (garo turbinos). Jų konstrukcijos šiek tiek skiriasi, tačiau abu tipai turi panašumų: jie naudoja garą, šildomą deginant naftą, dujas, anglį arba branduolinę energiją.
Stūmoklinio tipo garo variklis
Vanduo inde paprastai kaitinamas esant aukštam slėgiui. Kadangi vanduo kaitinamas esant aukštam slėgiui, virimo procesas vyksta aukštoje temperatūroje. Temperatūra yra tiesiogiai proporcinga slėgiui. Kuo aukštesnė garų temperatūra, tuo didesnis garų slėgis. Šie aukštos temperatūros arba aukšto slėgio garai juda per įleidimo vožtuvą ir plečiasi, veikdami stūmoklį. Plečiantis garams, jie stumia stūmoklį, todėl jis juda į dešinę.
Dalis garuose esančios šilumos paverčiama kinetine energija. Kai stūmoklis juda į dešinę, su stūmokliu sujungtas ratas sukasi (1). Po pusės apsisukimo ratas stumia stūmoklį atgal į pradinę padėtį (2). Kai stūmoklis juda į kairę, įleidimo vožtuvas automatiškai užsidaro, o išleidimo vožtuvas automatiškai atsidaro. Kondensatoriuje garai kondensuojami, virstantys rasa. Tada vanduo iš kondensatoriaus pumpuojamas atgal į indą, kad vėl būtų užvirinamas. Ir taip toliau… Kadangi procesas kartojasi, stūmoklis nuolat juda į dešinę ir į kairę. Kadangi stūmoklis nuolat juda į dešinę ir į kairę, ratas taip pat nuolat sukasi. Rato sukimasis paprastai naudojamas kam nors pajudinti.
Garo turbina
Garo turbinos veikimo principas iš esmės yra toks pat kaip stūmoklinio garo variklio. Skirtumas tas, kad stūmoklinis garo variklis naudoja stūmoklį, o garo turbina – turbiną. Stūmokliniame garo variklyje šiluma pirmiausia paverčiama stūmoklio slenkamąja kinetine energija. Po to stūmoklio slenkamoji kinetinė energija paverčiama besisukančio rato sukimosi kinetine energija. Garo turbinoje šiluma tiesiogiai paverčiama turbinos sukimosi kinetine energija. Turbina gali suktis dėl slėgio skirtumo. Garo temperatūra virš mentės yra daug aukštesnė nei garo temperatūra po mente. Mentė yra plona plokštė, esanti turbinos centre. Temperatūra yra tiesiogiai proporcinga slėgiui. Kadangi garo temperatūra virš mentės yra aukštesnė nei garo temperatūra po mente, garo slėgis virš mentės yra didesnis nei slėgis po mente. Šis slėgio skirtumas verčia garą spausti mentę žemyn, todėl turbina sukasi. Turbinos sukimosi kryptis parodyta paveiksle.
Svarbu pažymėti, kad garo variklio veikimo principas pagrįstas aukščiau paaiškinta energijos perdavimo diagrama. Šiuo atveju mechaninė energija gali būti generuojama leidžiant šilumai tekėti iš aukštos temperatūros objekto ar vietos į žemos temperatūros objektą ar vietą. Todėl garo variklyje temperatūrų skirtumas yra būtinas.
Jei atkreipsite dėmesį į tai, kaip veikia stūmoklinis garo variklis, pastebėsite, kad stūmoklis vis tiek gali judėti į kairę ir į dešinę, net jei nėra temperatūros skirtumo (nėra kondensatoriaus ar siurblio). Stūmoklis gali judėti į dešinę dėl aukštos temperatūros arba aukšto slėgio garų plėtimosi. Šiuo atveju dalis garuose esančios šilumos paverčiama stūmoklio slenkamąja kinetine energija. Ši stūmoklio slenkamoji kinetinė energija tada paverčiama besisukančio rato sukimosi kinetine energija. Atlikęs pusę apsisukimo, ratas stumia stūmoklį atgal į kairę. Kai ratas stumia stūmoklį atgal į kairę, rato sukimosi kinetinė energija vėl paverčiama stūmoklio slenkamąja kinetine energija. Stūmokliui judant į kairę, jis išstumia garus iš cilindro. Tuo pačiu metu atsidaro išmetimo vožtuvas.
Taigi, stūmoklio stumiamus garus stums savo draugą po išmetimo vožtuvu. Taigi, jei garų temperatūra žemiau išmetimo vožtuvo yra lygi stūmoklio stumiamų garų temperatūrai, visa stūmoklio transliacinė kinetinė energija bus paversta atgal į garų vidinę energiją. Vidinė energija yra tiesiogiai proporcinga temperatūrai. Jei garų vidinė energija didėja, garų temperatūra didėja. Temperatūra yra tiesiogiai proporcinga slėgiui. Jei garų temperatūra didėja, garų slėgis taip pat didėja. Taigi, per išmetimo vožtuvą išleidžiamų garų slėgis yra lygus garų, įeinančių per įleidimo vožtuvą, slėgiui. Stūmoklis toliau nuolat judės į dešinę ir į kairę, tačiau nebus jokios bendros kinetinės energijos, kurią būtų galima panaudoti (nebus atliktas bendras darbas). Taigi kinetinė energija, kurią stūmoklis gauna plėtimosi proceso metu (stūmoklis juda į dešinę), bus grąžinta į garus suspaudimo proceso metu (stūmoklis juda į kairę).
Daroma išvada, kad temperatūrų skirtumas garo variklyje vis tiek yra būtinas. Šį temperatūrų skirtumą garo variklyje galima pasiekti naudojant kondensatorių. Kai garų temperatūra ir slėgis žemiau išmetimo vožtuvo yra daug mažesni nei garų temperatūra ir slėgis cilindre, stūmokliui pasislenkant atgal į kairę, stūmoklio daromas slėgis garams yra daug mažesnis nei slėgis, kurį garai daro stūmokliui, kai stūmoklis pasislenka į dešinę. Kitaip tariant, stūmoklio atliekamas darbas su garais yra daug mažesnis nei garų atliekamas darbas su stūmokliu. Taigi tik nedidelė stūmoklio kinetinės energijos dalis grąžinama į garus. Taigi bus atliktas bendras kinetinis energijos kiekis arba bendras darbas. Ši bendra kinetinė energija naudojama objektui pajudinti.
Vidaus degimo variklis
Motociklų ir automobilių varikliai yra vidaus degimo variklių pavyzdžiai. Jie vadinami vidaus degimo varikliais, nes degimo procesas vyksta uždarame cilindre. Vidaus degimo varikliai yra adiabatinio suspaudimo ir plėtimosi koncepcijos, paaiškintos pirmajame termodinamikos dėsnyje , rezultatas.
Nagrinėsime tik vidaus degimo variklius, kurie kaip kurą naudoja benziną ir dyzeliną. Benzinas ir dyzelinas yra naftos produktai, todėl turi cheminę potencialinę energiją. Cheminė potencialinė energija benzine ir dyzeline pirmiausia degimo proceso metu paverčiama šiluma. Degimo metu susidariusi šiluma tada paverčiama mechanine energija. Ši mechaninė energija leidžia motociklui ar automobiliui judėti. Benzininio variklio ciklas vadinamas Otto ciklu, o dyzelinio variklio ciklas – dyzelino ciklu. Ciklas yra grįžtamasis termodinaminis procesas. Pirmiausia aptarkime Otto ciklą.
Otto ciklas
Tai keturtakčio vidaus degimo variklio schema. Oro ir benzino garų mišinys teka iš karbiuratoriaus į cilindrą, kai stūmoklis juda žemyn (įsiurbimo taktas). Oro ir benzino garų mišinys cilindre adiabatiškai suspaudžiamas, kai stūmoklis juda aukštyn (suspaudimo taktas). Kadangi jis suspaudžiamas adiabatiškai, mišinio temperatūra ir slėgis didėja. Tuo pačiu metu uždegimo žvakė uždega mišinį. Jam degant, dujų temperatūra ir slėgis didėja. Aukštos temperatūros ir slėgio dujos plečiasi, stumdamos stūmoklį žemyn (plėtimosi taktas). Sudegusios dujos tada išleidžiamos per išmetimo vožtuvą ir nukreipiamos į išmetimo vamzdį (išmetimo taktas). Įsiurbimo vožtuvas vėl atsidaro ir keturi taktai kartojasi.
Svarbu pažymėti, kad adiabatinio suspaudimo takto tikslas yra padidinti oro ir benzino garų mišinio temperatūrą ir slėgį. Degimas esant aukštam slėgiui sukuria labai aukštą temperatūrą ir slėgį. Dėl to plėtimosi proceso metu susidaranti trauka (F = PA) yra labai didelė. Dėl to motociklo ar automobilio variklis tampa galingesnis. Net ir be suspaudimo oro ir benzino garų mišinys gali užsidegti, kai uždegimo žvakė sukuria kibirkštį. Tačiau degančių dujų temperatūra ir slėgis nėra labai aukšti, todėl susidariusi trauka taip pat yra maža. Dėl to variklis tampa mažiau galingas.
Energijos virsmo ir perdavimo procesą keturtakčiame vidaus degimo variklyje galima paaiškinti taip: degimo metu cheminė potencialinė benzino energija ir ore esanti energija paverčiamos šiluma. Dalis šilumos stūmoklio kote ir alkūniniame velene paverčiama mechanine energija, o dalis išsiskiria per išmetimo vamzdį. Didžioji dalis mechaninės energijos stūmoklio kote ir alkūniniame velene paverčiama mechanine energija transporto priemonėje (transporto priemonei judant), o maža dalis paverčiama šiluma. Šiluma susidaro dėl trinties.
Adiabatinio plėtimosi ir suspaudimo procesą Otto cikle galima iliustruoti toliau pateikta diagrama. Šioje diagramoje parodytas idealizuotas termodinaminių procesų, vykstančių benzininiame vidaus degimo variklyje, modelis.
Į cilindrą patenka oro ir benzino garų mišinys (a). Tada oro ir benzino garų mišinys adiabatiškai suspaudžiamas (a-b). Atkreipkite dėmesį, kad cilindro tūris mažėja. Oro ir benzino garų mišinys kaitinamas esant pastoviam tūriui – mišinys deginamas (b-c). Sudegusios dujos plečiasi adiabatiškai (c-d). Aušinimas esant pastoviam tūriui – sudegusios dujos išleidžiamos į išmetimo vamzdį, o į cilindrą patenka naujas oro ir benzino garų mišinys (d-a).
Į cilindrą patenka oro ir benzino garų mišinys (a). Tada oro ir benzino garų mišinys adiabatiškai suspaudžiamas (a-b). Atkreipkite dėmesį, kad cilindro tūris mažėja. Oro ir benzino garų mišinys kaitinamas esant pastoviam tūriui – mišinys deginamas (b-c). Sudegusios dujos plečiasi adiabatiškai (c-d). Aušinimas esant pastoviam tūriui – sudegusios dujos išleidžiamos į išmetimo vamzdį, o į cilindrą patenka naujas oro ir benzino garų mišinys (d-a).
Dyzelinis ciklas
Dyzelinio variklio veikimo principas yra panašus į benzininio variklio. Skirtumas slypi pradiniame adiabatinio suspaudimo etape (adiabatinis suspaudimas = suspaudimas, atliekamas taip greitai, kad šiluma nespėja patekti į sistemą ar iš jos išeiti. Šiuo atveju sistema yra cilindras). Benzininiame variklyje suspaudžiamas oro ir benzino garų mišinys, o dyzeliniame variklyje suspaudžiamas tik oras. Adiabatinis suspaudimas padidina oro temperatūrą ir slėgį. Toliau purkštukas išpurškia dyzeliną. Kadangi oro temperatūra ir slėgis jau yra labai aukšti, įpurškus dyzeliną į cilindrą, jis iš karto užsidega. Uždegimo žvakės nereikia. Atkreipkite dėmesį į slėgio vertę, parodytą toliau pateiktoje diagramoje. Palyginkite ją su slėgio verte, parodyta Otto ciklo diagramoje.
Šioje diagramoje pavaizduotas idealus dyzelinio variklio ciklas. Iš pradžių oras suspaudžiamas adiabatiškai (a-b), tada kaitinamas esant pastoviam slėgiui – purkštukas purškia dyzeliną ir vyksta degimas (b-c), sudegusios dujos patiria adiabatinį plėtimąsi (c-d), atvėsta esant pastoviam tūriui – sudegusios dujos išstumiamos per išmetimo vamzdį ir į cilindrą patenka grynas oras (d-a).
Remiantis aukščiau pateiktu paaiškinimu, galima daryti išvadą, kad kiekvienas šiluminis variklis iš esmės turi specifinę darbinę medžiagą. Garo variklio darbinė medžiaga yra vanduo, benzininio variklio darbinė medžiaga yra oras ir benzino garai, o dyzelinio variklio darbinė medžiaga yra oras ir dyzelinas. Darbinė medžiaga paprastai sugeria šilumą aukštoje temperatūroje (Q H ), atlieka darbą (W), o tada išskiria likusią šilumą žemesnėje temperatūroje (Q L ). Kadangi energija yra taupoma, tada Q H = W + Q L.
Šilumos variklio efektyvumas
Šiluminio variklio našumas (e) yra variklio atlikto darbo (W) ir šilumos sąnaudų (Q H ) santykis aukštoje temperatūroje. Matematiškai jį galima užrašyti taip:
W yra gaunamas pelnas, o QH – išlaidos, kurias patiriame įsigydami ir degindami kurą. Būdami žmonėmis, kurie visada nori gauti kuo didesnį pelną ir kuo mažesnes išlaidas, mes nuoširdžiai tikimės, kad gaunamas pelnas (W) bus proporcingas mūsų patiriamoms išlaidoms (QH). Ar tai įmanoma?
Remiantis energijos tvermės dėsniu, įvestos šilumos kiekis (QH ) turi būti lygus atlikto darbo (W) ir išsiskyrusios šilumos (QL ) kiekiui . Matematiškai:
Norint išreikšti šiluminio variklio efektyvumą procentais, tiesiog padauginkite efektyvumo lygtį iš 100 %. Remiantis aukščiau pateikta efektyvumo lygtimi, kuo daugiau šilumos atstumia (Q L ) šiluminis variklis, tuo jis mažiau efektyvus. Labai norėtume, kad būtų atstumta kuo mažiau šilumos (Q L ). Tačiau šilumos tiekimas (Q H ) paprastai gaunamas deginant naftą, anglį, dujas ir kt. (kurą, už kurį mokame).
Todėl kiekvienas šiluminis variklis iš esmės yra suprojektuotas taip, kad būtų kuo efektyvesnis. Nors siekiame kuo didesnės naudos su mažiausiomis sąnaudomis, realybė tokia, kad garo variklių efektyvumas paprastai yra apie 40 %, o vidaus degimo variklių – apie 50 %. Tai reiškia, kad pusė deginant kurą pagamintos šilumos yra iššvaistoma. Tik pusė paverčiama mechanine energija.
1 klausimo pavyzdys:
Šiluminis variklis sugeria 3000 džaulių šilumos (Q H ), atlieka darbą (W) ir išskiria 2500 džaulių šilumos (Q L ). Koks yra šiluminio variklio našumas?
Pembahasanas
2 klausimo pavyzdys:
Šiluminis variklis sugeria 3000 džaulių šilumos (Q H ), atlieka darbą (W) ir išskiria 2000 džaulių šilumos (Q L ). Koks yra šiluminio variklio našumas?
Pembahasanas
3 klausimo pavyzdys:
Šiluminis variklis sugeria 3000 džaulių šilumos (Q H ), atlieka darbą (W) ir išskiria 1500 džaulių šilumos (Q L ). Koks yra šiluminio variklio našumas?
Pembahasanas
