Статија за Вториот закон за термодинамика
Сите природни процеси се случуваат само во една насока, но не можат да се случат во спротивна насока, што вообичаено се нарекува неповратни процеси. Откако ќе се ослободи од стеблото и ќе падне слободно на земјата, мангото никогаш повеќе не се движи нагоре. Книга што ја туркаме, а потоа ја запираме, никогаш не се движи назад кон нас. Ако допреме објект со висока температура (топол објект) со објект со ниска температура (ладен објект), топлината природно тече од објектот со висока температура кон објектот со ниска температура. Никогаш не го гледаме обратниот процес, каде што топлината природно се движи од ладен објект кон топол објект. Ако се случи овој процес, тогаш ладниот објект би станал постуден, додека топлиот објект би станал потопол. Но, во реалноста, не е така. Постојат многу неповратни процеси што изгледаат различни едни од други, но сите тие вклучуваат промени во формата на енергија и пренос на енергија од еден објект на друг.
На пример, има силен земјотрес што предизвикува уривање на зградите (зградите се уриваат поради енергијата што ја носат земјотресните бранови). Дали некогаш сте виделе секој дел од урнатата зграда да се собере и да стои исправено како порано? Или, на пример, чаша да паѓа на подот и да се крши... Дали некогаш сте виделе фрагменти од стакло расфрлани по подот да се соберат и да формираат чаша што е цела како порано? Никогаш не се случило... има многу други примери.
За да ги објаснат термодинамичките процеси што се случуваат само во една насока (неповратни процеси), научниците го формулирале вториот закон за термодинамика. Вториот закон за термодинамика објаснува кои процеси можат да се појават во универзумот, а кои не. Еден научник по име Р.Ј.Е. Клаузиус (1822–1888) ја дал следната изјава:
Топлината се движи сама по себе од објект со висока температура кон објект со ниска температура; топлината нема да се движи сама по себе од објект со ниска температура кон објект со висока температура (Втор закон за термодинамика – Клаузиев исказ).
Клаузиусовата изјава е посебна изјава на вториот закон за термодинамика. Се нарекува посебна изјава бидејќи се однесува само на еден процес, имено пренос на топлина. Бидејќи оваа изјава не се однесува на други процеси, ни е потребна поопшта изјава. Развојот на општата изјава на вториот закон за термодинамика делумно се базираше на проучувањето на топлинските мотори. Затоа, прво ќе ги разгледаме топлинските мотори.
ТОПЛИН МОТОР
Голем дел од енергијата што ја користиме доаѓа од хемиската потенцијална енергија содржана во нафтата, гасот и јагленот. Хемиската потенцијална енергија содржана во нафтата, гасот или јагленот не може да се користи директно. Нафтата, гасот или јагленот прво мора да се согорат. Типично, согорувањето на фосилни горива (нафта, гас и јаглен) произведува топлина. Топлината може да се користи директно за готвење храна и загревање на просторија. За да поместиме нешто (на пример, за движење на возило), мора да ја претвориме топлината во кинетичка енергија или механичка енергија (механичка енергија = потенцијална енергија + кинетичка енергија). Претворањето на механичката енергија во топлина е многу лесна работа, но претворањето на топлината во механичка енергија е тешко. Обидете се да ги триете дланките... вашите дланки се жешки, нели? Кога ги триеме дланките (правиме работа), механичката енергија се претвора во топлина. Процесот е многу лесен... Дури и бесконечна топлина може да се произведе со извршување на работа. Но, обратниот процес, имено користењето на топлина за извршување на работа, е тежок.
Уред што се користи за искористување на топлината за извршување на работа бил измислен дури во 1700 година. Уредот за кој станува збор бил парната машина. Парните машини за прв пат биле користени за пумпање вода од рудници за јаглен. Важно е да се напомене дека првата употреба на парните машини се случила пред научниците да знаат дека топлината е всушност енергија што се пренесува поради температурни разлики (првиот закон за термодинамика сè уште не бил формулиран).
Употребата на парни машини во тоа време веројатно се базирала на секојдневното искуство кое покажувало дека пареата може да ги движи работите. Парните мотори се сметаат за топлински мотори (топлински мотор = уред за претворање на топлината во механичка енергија). Денес, парните мотори се користат за производство на електрична енергија. Современите топлински мотори се мотори со внатрешно согорување (автомобилски мотори, мотори на мотоцикли итн.).
Основната идеја зад користењето на топлински мотор е дека топлината може да се претвори во механичка енергија само ако ѝ се дозволи да тече од регион со висока температура во регион со ниска температура. За време на овој процес, дел од топлината се претвора во механичка енергија (дел од топлината се користи за извршување на работа), додека дел од топлината се одбива во регионот со ниска температура. Процесот на конверзија и пренос на енергија во топлински мотор е прикажан на дијаграмот.
Висока температура (TH) и ниска температура (TL) се нарекува и работна температура на моторот. Топлината што тече од место со висока температура се означува со симболот Q.H, додека топлината што се ослободува на место со ниска температура е означена со симболот QL. Кога тече од место со висока температура кон место со ниска температура, одреден QH се претвора во механичка енергија (се користи за извршување на работа), дел од неа се ослободува како QLВсушност, навистина се надеваме дека сите QH може да се претвори во W, но секојдневното искуство покажува дека тоа е невозможно. Секогаш се губи одредена количина топлина. Така, врз основа на зачувувањето на енергијата, може да се заклучи дека QH = W + QL.
Сега да разгледаме топлински мотор кој најчесто се користи за претворање на топлината во механичка енергија. Важно е да се напомене дека разгледуваме само топлински мотори кои вршат континуирана работа. За работата да се извршува континуирано, топлината мора континуирано да тече од регион со висока температура до регион со ниска температура. Ако топлината тече само еднаш, работата што ја извршува топлинскиот мотор исто така ќе се изврши само еднаш (произведената механичка енергија ќе биде многу мала). Затоа, топлинскиот мотор не може да се искористи оптимално. Топлинскиот мотор може да се искористи оптимално ако извршува работа континуирано. Со други зборови, механичката енергија произведена од топлинскиот мотор е доволна за да се искористи за движење на нешто.
Парна машина
Парните мотори користат водена пареа како медиум за пренос на топлина. Пареата се нарекува работна супстанца на парната машина. Постојат два вида парни мотори: клипни парни мотори и турбински парни мотори (парни турбини). Нивните дизајни се разликуваат малку, но двата вида имаат сличности: тие користат пареа загреана со согорување на нафта, гас, јаглен или нуклеарна енергија.
Парна машина од клипен тип
Водата во сад обично се загрева под висок притисок. Бидејќи се загрева под висок притисок, процесот на вриење се одвива на висока температура. Температурата е директно пропорционална на притисокот. Колку е повисока температурата на пареата, толку е поголем притисокот на пареата. Оваа висока температура или пареа под висок притисок се движи низ влезниот вентил и се шири наспроти клипот. Како што се шири, пареата го турка клипот, предизвикувајќи тој да се движи надесно.
Дел од топлината во пареата се претвора во кинетичка енергија. Кога клипот се движи надесно, тркалото поврзано со клипот ротира (1). По половина ротација, тркалото го турка клипот назад во првобитната положба (2). Кога клипот се движи налево, влезниот вентил автоматски се затвора, додека издувниот вентил автоматски се отвора. Пареата се кондензира од кондензаторот, претворајќи се во роса. Потоа, водата во кондензаторот се пумпа назад во садот за повторно да се вари. И така натаму… Бидејќи процесот се повторува постојано, клипот се движи надесно и налево континуирано. Бидејќи клипот се движи надесно и налево континуирано, тркалото исто така ротира континуирано. Ротацијата на тркалото обично се користи за поместување на нешто.
Парна турбина
Принципот на работа на парната турбина е во суштина ист како оној на клипната парна машина. Разликата е во тоа што клипната парна машина користи клип, додека парната турбина користи турбина. Во клипната парна машина, топлината прво се претвора во транслациска кинетичка енергија на клипот. После тоа, транслациската кинетичка енергија на клипот се претвора во ротациска кинетичка енергија на ротирачкото тркало. Во парната турбина, топлината директно се претвора во ротациска кинетичка енергија на турбината. Турбината може да ротира поради разлика во притисокот. Температурата на пареата над лопатката е многу повисока од температурата на пареата под лопатката. Лопатката е тенка плоча сместена во центарот на турбината. Температурата е директно пропорционална на притисокот. Бидејќи температурата на пареата над лопатката е повисока од температурата на пареата под лопатката, притисокот на пареата над лопатката е поголем од притисокот под лопатката. Оваа разлика во притисокот предизвикува пареата да ја турка лопатката надолу, предизвикувајќи ротација на турбината. Насоката на ротација на турбината е прикажана на сликата.
Важно е да се напомене дека принципот на работа на парната машина се базира на дијаграмот за пренос на енергија објаснет погоре. Во овој случај, механичката енергија може да се генерира со дозволување на топлината да тече од предмет или локација со висока температура до предмет или локација со ниска температура. Затоа, температурната разлика е од суштинско значење кај парната машина.
Ако обрнете внимание на тоа како работи клипната парна машина, ќе забележите дека клипот сè уште може да се движи лево и десно иако нема температурна разлика (нема кондензатор или пумпа). Клипот може да се движи десно поради ширењето на пареата со висока температура или висок притисок. Во овој случај, дел од топлината во пареата се претвора во транслациска кинетичка енергија на клипот. Оваа транслациска кинетичка енергија на клипот потоа се претвора во ротациска кинетичка енергија на ротирачкото тркало. По завршувањето на половина ротација, тркалото го турка клипот назад налево. Кога тркалото го турка клипот назад налево, ротациската кинетичка енергија на тркалото повторно се претвора во транслациска кинетичка енергија на клипот. Како што клипот се движи налево, тој ја истиснува пареата во цилиндарот. Во исто време, се отвора издувниот вентил.
Така, пареата туркана од клипот ќе ја турка својата другарка под издувниот вентил. Сега, ако температурата на пареата под издувниот вентил е еднаква на температурата на пареата туркана од клипот, тогаш целата транслациска кинетичка енергија на клипот ќе се претвори назад во внатрешната енергија на пареата. Внатрешната енергија е директно пропорционална на температурата. Ако внатрешната енергија на пареата се зголеми, и температурата на пареата се зголемува. Температурата е директно пропорционална на притисокот. Ако температурата на пареата се зголеми, и притисокот на пареата исто така се зголемува. Така, притисокот на пареата ослободена низ издувниот вентил е еднаков на притисокот на пареата што влегува низ влезниот вентил. Клипот ќе продолжи да се движи десно и лево континуирано, но нема да има вкупна кинетичка енергија што може да се искористи (нема да се произведе вкупна работа). Значи, кинетичката енергија што ја прима клипот за време на процесот на експанзија (клипот се движи надесно) ќе се врати на пареата за време на процесот на компресија (клипот се движи налево).
Се заклучува дека температурната разлика во парната машина е сè уште неопходна. Оваа температурна разлика во парната машина може да се постигне со користење на кондензатор. Кога температурата и притисокот на пареата под издувниот вентил се многу пониски од температурата и притисокот на пареата во цилиндарот, тогаш кога клипот се движи назад налево, количината на притисок што клипот ја врши врз пареата е многу помала од количината на притисок што пареата ја врши врз клипот кога клипот се движи надесно. Со други зборови, количината на работа што клипот ја врши врз пареата е многу помала од количината на работа што пареата ја врши на клипот. Значи, само мал дел од кинетичката енергија на клипот се враќа во пареата. Така, ќе има вкупна кинетичка енергија или вкупна работа што се произведува. Оваа вкупна кинетичка енергија се користи за движење на нешто.
Мотор со внатрешно согорување
Моторите за мотоцикли и автомобили се примери за мотори со внатрешно согорување. Тие се нарекуваат мотори со внатрешно согорување бидејќи процесот на согорување се одвива во затворен цилиндар. Моторите со внатрешно согорување се резултат на инженерството на концептот на адијабатска компресија и експанзија, објаснети во првиот закон на термодинамиката.
Ќе ги разгледаме само моторите со внатрешно согорување кои користат бензин и дизел како гориво. Бензинот и дизелот се нафтени производи и затоа поседуваат хемиска потенцијална енергија. Хемиската потенцијална енергија во бензинот и дизелот прво се претвора во топлина преку процесот на согорување. Топлината произведена преку согорување потоа се претвора во механичка енергија. Оваа механичка енергија е она што му овозможува на мотоциклот или автомобилот да се движи. Циклусот во бензинскиот мотор се нарекува Ото циклус, додека циклусот во дизел моторот се нарекува дизел циклус. Циклусот е реверзибилен термодинамички процес. Прво да го разгледаме Ото циклусот.
Ото циклус
Ова е дијаграм на четиритактен мотор со внатрешно согорување. Мешавина од воздух и бензинска пареа тече од карбураторот во цилиндарот додека клипот се движи надолу (вшмукувачки такт). Смесата од воздух и бензинска пареа во цилиндарот потоа се компресира адијабатски додека клипот се движи нагоре (компресиски такт). Бидејќи е компресирана адијабатски, температурата и притисокот на смесата се зголемуваат. Истовремено, свеќичката ја пали смесата, запалувајќи ја. Како што гори, температурата и притисокот на гасот се зголемуваат. Гасот со висока температура и висок притисок се шири наспроти клипот, туркајќи го надолу (експанзиски такт). Потоа изгорениот гас се ослободува низ издувниот вентил и се насочува кон издувната цевка (издувен такт). Вшмукувачкиот вентил повторно се отвора и четирите такти се повторуваат.
Важно е да се напомене дека целта на адијабатскиот компресиски такт е да се зголеми температурата и притисокот на смесата воздух-бензин со пареа. Согорувањето при висок притисок произведува многу високи температури и притисоци. Следствено, потисокот (F = PA) генериран за време на процесот на експанзија е многу голем. Ова резултира со тоа што моторот на мотоцикл или автомобил станува помоќен. Дури и без компресија, смесата воздух-бензин со пареа може да се запали кога свеќичката ќе произведе искра. Сепак, температурата и притисокот на согорениот гас не се многу високи, па затоа добиениот потисок е исто така мал. Како резултат на тоа, моторот станува помалку моќен.
Процесот на трансформација на енергијата и пренос на енергија кај четиритактен мотор со внатрешно согорување може да се објасни на следниов начин: За време на согорувањето, хемиската потенцијална енергија во бензинот и енергијата во воздухот се претвораат во топлина. Дел од топлината се претвора во механичка енергија во клипната прачка и коленестото вратило, додека дел се ослободува преку издувната цевка. Поголемиот дел од механичката енергија во клипната прачка и коленестото вратило се претвора во механичка енергија во возилото (движејќи го возилото), додека мал дел се претвора во топлина. Топлината се создава со триење.
Процесот на адијабатско ширење и компресија во Отовиот циклус може да се илустрира со дијаграмот подолу. Овој дијаграм покажува идеализиран модел на термодинамичките процеси што се случуваат во мотор со внатрешно согорување на бензин.
Мешавина од воздух и пареа од бензин влегува во цилиндарот (a). Смесата од воздух и пареа од бензин потоа се компресира адијабатски (a-b). Забележете дека волуменот на цилиндарот се намалува. Смесата од воздух и пареа од бензин се загрева при константен волумен - смесата се согорува (b-c). Согорениот гас претрпува адијабатско ширење (c-d). Ладење при константен волумен - согорениот гас се испушта во издувната цевка и нова смеса од воздух + пареа од бензин влегува во цилиндарот (d-a).
Мешавина од воздух и пареа од бензин влегува во цилиндарот (a). Смесата од воздух и пареа од бензин потоа се компресира адијабатски (a-b). Забележете дека волуменот на цилиндарот се намалува. Смесата од воздух и пареа од бензин се загрева при константен волумен - смесата се согорува (b-c). Согорениот гас претрпува адијабатско ширење (c-d). Ладење при константен волумен - согорениот гас се испушта во издувната цевка и нова смеса од воздух + пареа од бензин влегува во цилиндарот (d-a).
Дизел циклус
Принципот на работа на дизел моторот е сличен на оној на бензинскиот мотор. Разликата лежи во почетниот чекор на адијабатска компресија (адијабатска компресија = компресија што се прави толку брзо што топлината нема време да тече во или надвор од системот. Системот во овој случај е цилиндар). Додека кај бензинскиот мотор, она што е компресирано е мешавина од воздух и пареа од бензин, кај дизел моторот е компресиран само воздухот. Адијабатската компресија предизвикува зголемување на температурата и притисокот на воздухот. Потоа, инјекторот, познат како инјектор, прска дизел. Бидејќи температурата и притисокот на воздухот се веќе многу високи, кога дизелот се прска во цилиндарот, дизелот веднаш се пали. Нема потреба од свеќичка. Забележете ја вредноста на притисокот прикажана на дијаграмот подолу. Споредете ја со вредноста на притисокот прикажана на дијаграмот на Ото циклусот.
Овој дијаграм прикажува идеален дизел циклус. Првично, воздухот се компресира адијабатски (a-b), потоа се загрева при константен притисок – инјекторот прска дизел и се случува согорување (b-c), согорениот гас се подложува на адијабатска експанзија (c-d), се лади при константен волумен – согорениот гас се исфрла низ издувната цевка и свеж воздух влегува во цилиндарот (d-a).
Врз основа на горенаведеното објаснување, може да се заклучи дека секој топлински мотор во основа има специфична работна супстанца. Работната супстанца за парен мотор е вода, работната супстанца за бензински мотор е воздух и пареа од бензин, а работната супстанца за дизел мотор е воздух и дизел. Работната супстанца обично апсорбира топлина на висока температура (Q₂H ) , врши работа (W), а потоа ја ослободува преостанатата топлина на пониска температура (Q₂L ) . Бидејќи енергијата е зачувана, тогаш Q₂H = W + Q₂L.
Ефикасност на топлинскиот мотор
Ефикасноста (e) на топлинскиот мотор е односот помеѓу работата (W) што ја извршува моторот и влезната топлина на висока температура (Q₂H ) . Математички, може да се запише вака:
W е профитот што го добиваме, додека QH е трошокот што го правиме за купување и согорување на гориво. Како луѓе кои секогаш сакаат да добијат најголем можен профит и најмал можен трошок, навистина се надеваме дека профитот што го добиваме (W) е соодветен на трошокот што го правиме (QH). Дали е тоа можно?
Врз основа на правилото за зачувување на енергијата, влезната топлина (Q₂H ) мора да биде еднаква на извршената работа (W) + ослободената топлина (Q₂L ) . Математички:
За да ја изразиме ефикасноста на топлинскиот мотор како процент, едноставно помножете ја равенката за ефикасност со 100%. Врз основа на равенката за ефикасност погоре, колку повеќе топлина се одбива (QL ) од топлинскиот мотор, толку е помалку ефикасен. Би сакале да имаме што е можно помалку одбиена топлина (QL ) . Сепак, влезната топлина (QH ) обично се добива со согорување на нафта, јаглен, гас итн. (горива за кои плаќаме).
Затоа, секој топлински мотор е во суштина дизајниран да биде што е можно поефикасен. Иако сакаме најголема можна корист од најмалите можни трошоци, реалноста е дека парните мотори се обично ефикасни околу 40%, додека моторите со внатрешно согорување се околу 50%. Ова значи дека половина од топлината произведена со согорување на горивото се троши залудно. Само половина се претвора во механичка енергија.
Пример прашање 1:
Топлинскиот мотор апсорбира 3000 џули топлина (Q₂H ) , извршува работа (W) и ослободува 2500 џули топлина (Q₂L ) . Колкава е ефикасноста на топлинскиот мотор?
Дискусија
Пример прашање 2:
Топлинскиот мотор апсорбира 3000 џули топлина (Q₂H₂ ) , врши работа (W) и ослободува 2000 џули топлина (Q₂L ) . Колкава е ефикасноста на топлинскиот мотор?
Дискусија
Пример прашање 3:
Топлинскиот мотор апсорбира 3000 џули топлина (Q₂H₂ ) , врши работа (W) и ослободува 1500 џули топлина (Q₂L ) . Колкава е ефикасноста на топлинскиот мотор?
Дискусија
