Artikel over de tweede wet van de thermodynamica
Alle natuurlijke processen verlopen slechts in één richting en kunnen niet in de tegenovergestelde richting plaatsvinden; dit worden vaak onomkeerbare processen genoemd. Een mango die van zijn steel is gevallen en op de grond is beland , beweegt nooit meer omhoog. Een boek dat we duwen en dan stoppen, beweegt nooit meer naar ons terug. Als we een heet voorwerp aanraken met een koud voorwerp, stroomt de warmte vanzelf van het hete naar het koude voorwerp. We zien nooit het omgekeerde proces, waarbij warmte vanzelf van een koud naar een heet voorwerp stroomt. Als dit proces zou plaatsvinden, zou het koude voorwerp kouder worden en het hete voorwerp warmer. Maar in werkelijkheid werkt het niet zo. Er zijn veel onomkeerbare processen die van elkaar lijken te verschillen, maar ze hebben allemaal te maken met veranderingen in de vorm van energie en de overdracht van energie van het ene object naar het andere.
Neem bijvoorbeeld een krachtige aardbeving die gebouwen doet instorten (gebouwen storten in door de energie van de aardbevingsgolven). Heb je ooit gezien dat elk deel van het ingestorte gebouw weer samenkomt en rechtop gaat staan zoals voorheen? Of, neem bijvoorbeeld een glas dat op de grond valt en breekt... Heb je ooit gezien dat de glasscherven die over de grond verspreid liggen, weer samenkomen en een heel glas vormen zoals het was? Nooit gebeurd... er zijn nog veel meer voorbeelden.
Om thermodynamische processen te verklaren die slechts in één richting plaatsvinden (irreversibele processen), formuleerden wetenschappers de tweede wet van de thermodynamica. De tweede wet van de thermodynamica verklaart welke processen in het universum kunnen plaatsvinden en welke niet. Een wetenschapper genaamd R.J.E. Clausius (1822-1888) deed de volgende uitspraak:
Warmte stroomt vanzelf van een object met een hoge temperatuur naar een object met een lage temperatuur; warmte stroomt niet vanzelf van een object met een lage temperatuur naar een object met een hoge temperatuur (tweede wet van de thermodynamica – stelling van Clausius).
De stelling van Clausius is een speciale formulering van de tweede wet van de thermodynamica. Het wordt een speciale formulering genoemd omdat deze alleen van toepassing is op één proces, namelijk warmteoverdracht. Omdat deze formulering geen betrekking heeft op andere processen, hebben we een meer algemene formulering nodig. De ontwikkeling van de algemene formulering van de tweede wet van de thermodynamica was mede gebaseerd op de studie van warmtemachines. Daarom zullen we warmtemachines eerst bespreken.
WARMTE MOTOR
Een groot deel van de energie die we gebruiken, komt van de chemische potentiële energie die in aardolie, gas en steenkool zit. De chemische potentiële energie in aardolie, gas of steenkool kan niet direct worden gebruikt. Aardolie, gas of steenkool moet eerst worden verbrand. Het verbranden van fossiele brandstoffen (aardolie, gas en steenkool) produceert doorgaans warmte. Warmte kan direct worden gebruikt om voedsel te koken en een ruimte te verwarmen. Om iets te bewegen (bijvoorbeeld een voertuig), moeten we warmte omzetten in kinetische energie of mechanische energie (mechanische energie = potentiële energie + kinetische energie). Het omzetten van mechanische energie in warmte is heel eenvoudig, maar het omzetten van warmte in mechanische energie is moeilijk. Probeer je handpalmen tegen elkaar te wrijven... je handpalmen zijn warm, toch? Wanneer we onze handpalmen tegen elkaar wrijven (we verrichten arbeid), wordt mechanische energie omgezet in warmte. Het proces is heel eenvoudig... Zelfs oneindig veel warmte kan worden geproduceerd door arbeid te verrichten. Maar het omgekeerde proces, namelijk warmte gebruiken om arbeid te verrichten, is moeilijk.
Een apparaat dat warmte benut om arbeid te verrichten, werd pas in 1700 uitgevonden. Het apparaat in kwestie was de stoommachine. Stoommachines werden aanvankelijk gebruikt om water uit kolenmijnen te pompen. Het is belangrijk om te weten dat het eerste gebruik van stoommachines plaatsvond voordat wetenschappers wisten dat warmte feitelijk energie is die wordt overgedragen als gevolg van temperatuurverschillen (de eerste wet van de thermodynamica was nog niet geformuleerd).
Het gebruik van stoommachines in die tijd was waarschijnlijk gebaseerd op de dagelijkse ervaring dat stoom dingen in beweging kon zetten. Stoommachines worden beschouwd als warmtemotoren (een warmtemotor is een apparaat dat warmte omzet in mechanische energie). Tegenwoordig worden stoommachines gebruikt om elektrische energie op te wekken. Moderne warmtemotoren zijn verbrandingsmotoren (automotoren, motorfietsmotoren, enz.).
Het basisprincipe van een warmtemotor is dat warmte alleen kan worden omgezet in mechanische energie als deze van een gebied met hoge temperatuur naar een gebied met lage temperatuur kan stromen. Tijdens dit proces wordt een deel van de warmte omgezet in mechanische energie (een deel van de warmte wordt gebruikt om arbeid te verrichten), terwijl een deel van de warmte wordt afgevoerd naar het gebied met lage temperatuur. Het proces van energieomzetting en energieoverdracht in een warmtemotor wordt weergegeven in het diagram.
Hoge temperatuur (TH) en lage temperatuur (TL) wordt ook wel de bedrijfstemperatuur van de motor genoemd. Warmte die van een plaats met een hoge temperatuur afkomstig is, wordt aangeduid met het symbool Q.HDe warmte die wordt afgegeven aan een plaats met een lage temperatuur wordt aangeduid met het symbool Q.L. Wanneer een bepaalde hoeveelheid Q van een plaats met hoge temperatuur naar een plaats met lage temperatuur stroomt, gaat er wat Q verloren.H omgezet in mechanische energie (die gebruikt wordt om arbeid te verrichten), wordt een deel ervan vrijgegeven als Q.LEigenlijk hopen we echt dat alle QH kan worden omgezet in W, maar de dagelijkse praktijk leert dat dit onmogelijk is. Er gaat altijd warmte verloren. Op basis van de wet van behoud van energie kan dus worden geconcludeerd dat QH = W + QL.
Laten we nu eens kijken naar een warmtemotor die vaak wordt gebruikt om warmte om te zetten in mechanische energie. Het is belangrijk om te benadrukken dat we alleen warmtemotoren beschouwen die continu arbeid verrichten. Om continu arbeid te verrichten, moet warmte continu stromen van een gebied met een hoge temperatuur naar een gebied met een lage temperatuur. Als warmte slechts eenmaal stroomt, zal de door de warmtemotor verrichte arbeid ook slechts eenmaal worden verricht (de geproduceerde mechanische energie zal zeer gering zijn). Daarom kan de warmtemotor niet optimaal worden benut. Een warmtemotor kan optimaal worden benut als deze continu arbeid verricht. Met andere woorden, de door de warmtemotor geproduceerde mechanische energie is voldoende om iets in beweging te brengen.
Stoommachine
Stoommachines gebruiken waterdamp als warmteoverdrachtsmedium. Stoom wordt de werkzame stof van een stoommachine genoemd. Er zijn twee soorten stoommachines: zuigerstoommachines en turbinestoommachines (stoomturbines). Hun ontwerp verschilt enigszins, maar beide typen hebben overeenkomsten: ze gebruiken stoom die wordt verwarmd door de verbranding van olie, gas, steenkool of kernenergie.
Zuiger-type stoommachine
Water in een container wordt meestal onder hoge druk verwarmd. Doordat het onder hoge druk wordt verwarmd, vindt het kookproces plaats bij een hoge temperatuur. Temperatuur is rechtstreeks evenredig met druk. Hoe hoger de temperatuur van de stoom, hoe groter de dampdruk. Deze stoom met hoge temperatuur of hoge druk stroomt door de inlaatklep en zet uit tegen de zuiger. Door de uitzetting duwt de stoom de zuiger naar rechts.
Een deel van de warmte in de stoom wordt omgezet in kinetische energie. Wanneer de zuiger naar rechts beweegt, draait het wiel dat met de zuiger verbonden is (1). Na een halve omwenteling duwt het wiel de zuiger terug naar zijn oorspronkelijke positie (2). Wanneer de zuiger naar links beweegt, sluit de inlaatklep automatisch, terwijl de uitlaatklep automatisch opent. De stoom condenseert in de condensor en verandert in dauw. Vervolgens wordt het water in de condensor teruggepompt in de container om opnieuw te worden gekookt. Enzovoort… Omdat het proces zich herhaalt, beweegt de zuiger continu naar rechts en naar links. Doordat de zuiger continu naar rechts en naar links beweegt, draait het wiel ook continu. De rotatie van het wiel wordt meestal gebruikt om iets in beweging te brengen.
Stoomturbine
Het werkingsprincipe van een stoomturbine is in wezen hetzelfde als dat van een zuigerstoommachine. Het verschil is dat een zuigerstoommachine een zuiger gebruikt, terwijl een stoomturbine een turbine gebruikt. In een zuigerstoommachine wordt warmte eerst omgezet in translationele kinetische energie van de zuiger. Vervolgens wordt de translationele kinetische energie van de zuiger omgezet in rotationele kinetische energie van het roterende wiel. In een stoomturbine wordt warmte direct omgezet in rotationele kinetische energie van de turbine. De turbine kan draaien door een drukverschil. De temperatuur van de stoom boven de schoepen is veel hoger dan de temperatuur van de stoom eronder. De schoep is een dunne plaat in het midden van de turbine. Temperatuur is recht evenredig met druk. Omdat de temperatuur van de stoom boven de schoep hoger is dan de temperatuur van de stoom eronder, is de stoomdruk boven de schoep groter dan de druk eronder. Dit drukverschil zorgt ervoor dat de stoom de schoep naar beneden duwt, waardoor de turbine gaat draaien. De draairichting van de turbine is weergegeven in de afbeelding.
Het is belangrijk om te weten dat het werkingsprincipe van een stoommachine gebaseerd is op het hierboven beschreven energieoverdrachtsdiagram. In dit geval kan mechanische energie worden opgewekt door warmte te laten stromen van een object of locatie met een hoge temperatuur naar een object of locatie met een lage temperatuur. Een temperatuurverschil is daarom essentieel voor een stoommachine.
Als je goed kijkt naar hoe een stoomzuiger werkt, zul je zien dat de zuiger nog steeds naar links en rechts kan bewegen, ook al is er geen temperatuurverschil (geen condensor of pomp). De zuiger kan naar rechts bewegen door de uitzetting van stoom met een hoge temperatuur of druk. In dit geval wordt een deel van de warmte in de stoom omgezet in translationele kinetische energie van de zuiger. Deze translationele kinetische energie van de zuiger wordt vervolgens omgezet in rotationele kinetische energie van het draaiende wiel. Na een halve omwenteling duwt het wiel de zuiger terug naar links. Wanneer het wiel de zuiger terug naar links duwt, wordt de rotationele kinetische energie van het wiel opnieuw omgezet in translationele kinetische energie van de zuiger. Terwijl de zuiger naar links beweegt, duwt hij de stoom in de cilinder naar buiten. Tegelijkertijd opent de uitlaatklep.
De stoom die door de zuiger wordt voortgestuwd, duwt dus de stoom onder de uitlaatklep mee. Als de temperatuur van de stoom onder de uitlaatklep gelijk is aan de temperatuur van de stoom die door de zuiger wordt voortgestuwd, wordt alle translationele kinetische energie van de zuiger omgezet in interne energie van de stoom. Interne energie is recht evenredig met de temperatuur. Als de interne energie van de stoom toeneemt, neemt de temperatuur van de stoom toe. Temperatuur is recht evenredig met de druk. Als de temperatuur van de stoom toeneemt, neemt ook de druk van de stoom toe. De druk van de stoom die door de uitlaatklep wordt afgevoerd, is dus gelijk aan de druk van de stoom die door de inlaatklep binnenkomt. De zuiger blijft continu heen en weer bewegen, maar er is geen totale kinetische energie die kan worden benut (er wordt geen arbeid verricht). De kinetische energie die de zuiger tijdens het expansieproces (de zuiger beweegt naar rechts) ontvangt, wordt dus tijdens het compressieproces (de zuiger beweegt naar links) weer aan de stoom afgegeven.
De conclusie is dat een temperatuurverschil in een stoommachine nog steeds noodzakelijk is. Dit temperatuurverschil kan worden bereikt door gebruik te maken van een condensor. Wanneer de temperatuur en druk van de stoom onder de uitlaatklep veel lager zijn dan de temperatuur en druk van de stoom in de cilinder, is de druk die de zuiger op de stoom uitoefent wanneer deze naar links beweegt veel kleiner dan de druk die de stoom op de zuiger uitoefent wanneer deze naar rechts beweegt. Met andere woorden, de hoeveelheid arbeid die de zuiger op de stoom verricht is veel kleiner dan de hoeveelheid arbeid die de stoom op de zuiger verricht. Slechts een klein deel van de kinetische energie van de zuiger wordt dus teruggegeven aan de stoom. Er wordt dus in totaal kinetische energie, oftewel totale arbeid, geproduceerd. Deze totale kinetische energie wordt gebruikt om iets in beweging te brengen.
Verbrandingsmotor
Motoren van motorfietsen en auto's zijn voorbeelden van verbrandingsmotoren. Ze worden verbrandingsmotoren genoemd omdat het verbrandingsproces plaatsvindt in een gesloten cilinder. Verbrandingsmotoren zijn het resultaat van het technisch toepassen van het concept van adiabatische compressie en expansie, zoals uitgelegd in de eerste wet van de thermodynamica.
We zullen ons alleen richten op verbrandingsmotoren die benzine en diesel als brandstof gebruiken. Benzine en diesel zijn aardolieproducten en bezitten daarom chemische potentiële energie. De chemische potentiële energie in benzine en diesel wordt eerst omgezet in warmte door het verbrandingsproces. De warmte die bij de verbranding vrijkomt, wordt vervolgens omgezet in mechanische energie. Deze mechanische energie zorgt ervoor dat een motorfiets of auto kan bewegen. De cyclus in een benzinemotor wordt de Otto-cyclus genoemd, terwijl de cyclus in een dieselmotor de dieselcyclus wordt genoemd. Een cyclus is een omkeerbaar thermodynamisch proces. Laten we eerst de Otto-cyclus bespreken.
Otto-cyclus
Dit is een schematische weergave van een viertaktverbrandingsmotor. Een mengsel van lucht en benzinedamp stroomt vanuit de carburateur de cilinder in terwijl de zuiger naar beneden beweegt (de inlaatslag). Het mengsel van lucht en benzinedamp in de cilinder wordt vervolgens adiabatisch gecomprimeerd terwijl de zuiger naar boven beweegt (de compressieslag). Doordat het adiabatisch wordt gecomprimeerd, nemen de temperatuur en de druk van het mengsel toe. Tegelijkertijd ontsteekt de bougie het mengsel. Tijdens de verbranding nemen de temperatuur en de druk van het gas verder toe. Het hete gas met hoge druk zet uit tegen de zuiger, waardoor deze naar beneden wordt gedrukt (de expansieslag). De verbrande gassen worden vervolgens via de uitlaatklep naar de uitlaatpijp afgevoerd (de uitlaatslag). De inlaatklep opent weer en de vier slagen herhalen zich.
Het is belangrijk om te weten dat het doel van de adiabatische compressieslag is om de temperatuur en druk van het lucht-benzinemengsel te verhogen. Verbranding bij hoge druk produceert zeer hoge temperaturen en drukken. Daardoor is de stuwkracht (F = PA) die tijdens het expansieproces wordt gegenereerd erg groot. Dit resulteert in een krachtigere motor voor een motorfiets of auto. Zelfs zonder compressie kan het lucht-benzinemengsel ontbranden wanneer de bougie een vonk produceert. De temperatuur en druk van het verbrande gas zijn echter niet erg hoog, waardoor de resulterende stuwkracht ook klein is. Het gevolg is dat de motor minder krachtig wordt.
Het proces van energieomzetting en energieoverdracht in een viertaktverbrandingsmotor kan als volgt worden uitgelegd: Tijdens de verbranding wordt de chemische potentiële energie in benzine en de energie in de lucht omgezet in warmte. Een deel van de warmte wordt omgezet in mechanische energie in de drijfstang en de krukas, terwijl een ander deel via de uitlaatpijp wordt afgevoerd. Het grootste deel van de mechanische energie in de drijfstang en de krukas wordt omgezet in mechanische energie in het voertuig (waardoor het voertuig in beweging komt), terwijl een klein deel wordt omgezet in warmte. Warmte wordt gegenereerd door wrijving.
Het adiabatische expansie- en compressieproces in de Otto-cyclus kan worden geïllustreerd door het onderstaande diagram. Dit diagram toont een geïdealiseerd model van de thermodynamische processen die plaatsvinden in een benzine-aangedreven verbrandingsmotor.
Een mengsel van lucht en benzinedamp komt de cilinder binnen (a). Dit mengsel wordt vervolgens adiabatisch gecomprimeerd (a-b). Merk op dat het volume van de cilinder afneemt. Het mengsel van lucht en benzinedamp wordt bij constant volume verwarmd – het mengsel wordt verbrand (b-c). Het verbrande gas ondergaat een adiabatische expansie (c-d). Afkoeling bij constant volume – het verbrande gas wordt afgevoerd naar de uitlaatpijp en een nieuw mengsel van lucht en benzinedamp komt de cilinder binnen (d-a).
Een mengsel van lucht en benzinedamp komt de cilinder binnen (a). Dit mengsel wordt vervolgens adiabatisch gecomprimeerd (a-b). Merk op dat het volume van de cilinder afneemt. Het mengsel van lucht en benzinedamp wordt bij constant volume verwarmd – het mengsel wordt verbrand (b-c). Het verbrande gas ondergaat een adiabatische expansie (c-d). Afkoeling bij constant volume – het verbrande gas wordt afgevoerd naar de uitlaatpijp en een nieuw mengsel van lucht en benzinedamp komt de cilinder binnen (d-a).
Dieselcyclus
Het werkingsprincipe van een dieselmotor is vergelijkbaar met dat van een benzinemotor. Het verschil zit hem in de initiële adiabatische compressiestap (adiabatische compressie = compressie die zo snel plaatsvindt dat warmte geen tijd heeft om in of uit het systeem te stromen. Het systeem is in dit geval een cilinder). Terwijl in een benzinemotor een mengsel van lucht en benzinedamp wordt gecomprimeerd, wordt in een dieselmotor alleen de lucht gecomprimeerd. Adiabatische compressie zorgt ervoor dat de temperatuur en druk van de lucht toenemen. Vervolgens spuit de injector diesel in. Omdat de temperatuur en druk van de lucht al zeer hoog zijn, ontbrandt de diesel direct wanneer deze in de cilinder wordt gespoten. Een bougie is niet nodig. Let op de drukwaarde in het onderstaande diagram. Vergelijk deze met de drukwaarde in het Otto-cyclusdiagram.
Dit diagram toont een ideale dieselcyclus. Aanvankelijk wordt lucht adiabatisch gecomprimeerd (a-b), vervolgens verwarmd bij constante druk – de injector spuit diesel in en er vindt verbranding plaats (b-c), het verbrande gas ondergaat adiabatische expansie (c-d), koelt af bij constant volume – het verbrande gas wordt via de uitlaatpijp afgevoerd en verse lucht komt de cilinder binnen (d-a).
Op basis van bovenstaande uitleg kan worden geconcludeerd dat elke warmtemotor in principe een specifieke werkzame stof heeft. De werkzame stof voor een stoommachine is water, de werkzame stof voor een benzinemotor is lucht en benzinedamp, en de werkzame stof voor een dieselmotor is lucht en diesel. De werkzame stof absorbeert doorgaans warmte bij een hoge temperatuur (QH ) , verricht arbeid (W) en geeft vervolgens de resterende warmte af bij een lagere temperatuur (QL ) . Omdat energie behouden blijft, geldt QH = W + QL.
Rendement van een warmtemotor
Het rendement (e) van een warmtemotor is de verhouding tussen de arbeid (W) die door de motor wordt verricht en de warmte-input bij hoge temperatuur (QH ) . Mathematisch kan dit als volgt worden weergegeven:
W is de winst die we behalen, terwijl QH de kosten zijn die we maken voor de aanschaf en het verbruik van brandstof. Als mensen die altijd streven naar de grootst mogelijke winst tegen de kleinst mogelijke kosten, hopen we natuurlijk dat de winst die we behalen (W) in verhouding staat tot de kosten die we maken (QH). Is dat mogelijk?
Volgens de wet van behoud van energie moet de toegevoerde warmte (QH ) gelijk zijn aan de verrichte arbeid (W) + de vrijgekomen warmte (QL ) . Mathematisch gezien:
Om het rendement van een warmtemotor als percentage uit te drukken, vermenigvuldigt u de rendementsvergelijking eenvoudigweg met 100%. Op basis van de bovenstaande rendementsvergelijking geldt dat hoe meer warmte (QL) een warmtemotor afvoert , hoe lager het rendement is. We willen natuurlijk zo min mogelijk warmte afvoeren (QL ) . De warmtetoevoer (QH) wordt echter meestal verkregen door de verbranding van olie, kolen, gas, enz. (brandstoffen waarvoor we betalen).
Daarom is elke warmtemotor in principe ontworpen om zo efficiënt mogelijk te zijn. Hoewel we streven naar het grootst mogelijke rendement met de laagst mogelijke kosten, is de realiteit dat stoommachines doorgaans een rendement van ongeveer 40% hebben, terwijl verbrandingsmotoren een rendement van ongeveer 50% hebben. Dit betekent dat de helft van de warmte die vrijkomt bij de verbranding van brandstof verloren gaat. Slechts de helft wordt omgezet in mechanische energie.
Voorbeeldvraag 1:
Een warmtemotor absorbeert 3000 joule warmte (QH ) , verricht arbeid (W) en geeft 2500 joule warmte af (QL ) . Wat is het rendement van de warmtemotor?
Discussie
Voorbeeldvraag 2:
Een warmtemotor absorbeert 3000 joule warmte (QH ) , verricht arbeid (W) en geeft 2000 joule warmte af (QL ) . Wat is het rendement van de warmtemotor?
Discussie
Voorbeeldvraag 3:
Een warmtemotor absorbeert 3000 joule warmte (QH ) , verricht arbeid (W) en geeft 1500 joule warmte af (QL ) . Wat is het rendement van de warmtemotor?
Discussie
