Om de onomkeerbare thermodynamische processen te verklaren, 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 RJE Clausius (1822-1888) deed de volgende uitspraak:
Warmte stroomt vanzelfsprekend van objecten met een hoge temperatuur naar objecten met een lage temperatuur; warmte stroomt vanzelfsprekend niet van objecten met een lage temperatuur naar objecten met een hoge temperatuur (tweede wet van de thermodynamica – stelling van Clausius).
De stelling van Clausius is een van de bijzondere formuleringen van de tweede wet van de thermodynamica. Het wordt een bijzondere formulering genoemd omdat deze slechts van toepassing is op één proces, namelijk warmteoverdracht. Omdat deze stelling niet van toepassing is op andere processen, hebben we een meer algemene formulering nodig. De ontwikkeling van een algemene formulering van de tweede wet van de thermodynamica is gebaseerd op de studie van warmtemotoren. Daarom bespreken we eerst de warmteoverdracht in motoren.
Warmtemotor
Een groot deel van de energie die we gebruiken, komt van de chemische potentiële energie die in aardolie, gas en steenkool zit. Om deze chemische potentiële energie direct te kunnen gebruiken, moet deze eerst worden verbrand. Het verbranden van fossiele brandstoffen (olie, gas en steenkool) produceert doorgaans warmte. Deze warmte kan direct worden gebruikt om voedsel te koken of een ruimte te verwarmen. Om iets in beweging te brengen (zoals een voertuig), moeten we warmte omzetten in kinetische energie of mechanische energie (mechanische energie = potentiële energie + kinetische energie).
In 1700 werd een werktuig ontdekt dat warmte gebruikt om arbeid te verrichten: de stoommachine. Deze werd aanvankelijk gebruikt om water uit een kolenmijn te pompen.
Het gebruik van stoommachines is gebaseerd op het feit dat stoom dingen in beweging kan zetten. Stoommachines omvatten ook 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, zoals die in auto's, motorfietsen, enzovoort.
Het basisidee achter het gebruik van warmtemotoren is dat warmte kan worden omgezet in mechanische energie als warmte van hoge naar lage temperaturen stroomt. Tijdens dit proces wordt een deel van de warmte omgezet in mechanische energie (een deel van de warmte wordt gebruikt om arbeid te verrichten), een deel van de warmte wordt afgevoerd naar plaatsen met lage temperaturen. Het proces van energieomzetting en energieoverdracht in de warmtemotor ziet eruit zoals in dit diagram.
Hoge temperatuur (TH) en lage temperatuur (TL) worden de bedrijfstemperatuur van de machine genoemd. QH is de warmte die van de hoge temperatuur afvloeit, terwijl QL Warmte stroomt naar een plek met een lage temperatuur. Tijdens deze warmtestroom wordt een deel van de warmte omgezet in mechanische energie (die wordt gebruikt voor arbeid), en een deel van de warmte wordt afgevoerd als Q.LNiet alle warmte kan worden omgezet in arbeid (W), er komt altijd warmte vrij (Q).L). Op basis van behoud van energie is Q dus gelijk aan Q.H = W + QL.
Er bestaan verschillende soorten warmtemotoren, waaronder stoommachines en verbrandingsmotoren.
Stoommachine
Stoommachines gebruiken waterdamp als warmteoverdrachtsmedium. Stoom is het werkmedium. Er zijn twee soorten stoommachines: wisselstroomstoommachines en turbinestoommachines. Het ontwerp van deze machines verschilt, maar beide typen stoommachines gebruiken stoom die wordt verwarmd door de verbranding van olie, gas, steenkool of door kernenergie.
Verbrandingsmotoren
Motorfietsmotoren en automotoren zijn voorbeelden van verbrandingsmotoren. Ze worden verbrandingsmotoren genoemd omdat het verbrandingsproces plaatsvindt in gesloten cilinders. Het bestaan van een verbrandingsmotor is het resultaat van het technische concept van adiabatische compressie en expansie.
Rendement van warmtemotoren
Het rendement van de warmtemotor (e) is een vergelijking tussen de arbeid (W) die door de machine wordt verricht en de warmte-input bij hoge temperatuur (Q H ).
W is de winst die we behalen, terwijl QH de kosten zijn die we maken voor de aanschaf en verbranding van brandstof. Als mensen die altijd streven naar maximale winst tegen minimale kosten, hopen we dat de winststijging (W) evenredig is aan de kosten die we maken (QH ) . Is dat mogelijk?
Volgens de wet van behoud van energie moet de warmte (QH ) gelijk zijn aan de arbeid (W) + de afgevoerde warmte (QL ).
Vervang W in vergelijking 1 door W in vergelijking 2.
Dit is de vergelijking voor het rendement van een warmtemotor.
Vraag 1:
Een warmtemotor absorbeert 3000 Joule (QH ) , verricht arbeid (W) en voert 2500 Joule (QL ) warmte af. Bereken het warmterendement van de motor.
Het resultaat
Rendement van de warmtemotor = 17%.
Vraag 2:
Een warmtemotor absorbeert 3000 Joule warmte (QH ) , verricht arbeid (W) en voert 2000 Joule warmte af (QL ) . Bereken het rendement van de warmtemotor.
Het resultaat
Rendement van de warmtemotor = 34%.
Vraag 3:
Een warmtemotor absorbeert 3000 joule warmte (QH ) , verricht arbeid (W) en stoot maximaal 1500 joule warmte (QL) uit . Bereken het rendement van een warmtemotor.
Het resultaat
Rendement van de warmtemotor = 50%.
