Termodynamikkens andre lov

Artikkel om termodynamikkens andre lov

Alle naturlig forekommende prosesser skjer bare i én retning, men kan ikke forekomme i motsatt retning, vanligvis kalt irreversible prosesser. Etter å ha blitt frigjort fra stilken og fritt fall Når en mango faller til bakken, beveger den seg aldri opp igjen. En bok som vi dytter og deretter stopper, beveger seg aldri tilbake mot oss. Hvis vi berører en gjenstand med høy temperatur (en varm gjenstand) med en gjenstand med lav temperatur (en kald gjenstand), strømmer varme naturlig fra gjenstanden med høy temperatur til gjenstanden med lav temperatur. Vi ser aldri den motsatte prosessen, der varme naturlig beveger seg fra en kald gjenstand til en varm gjenstand. Hvis denne prosessen skjedde, ville den kalde gjenstanden blitt kaldere, mens den varme gjenstanden ville blitt varmere. Men i virkeligheten er ikke dette tilfelle. Det finnes mange irreversible prosesser som virker forskjellige fra hverandre, men de involverer alle endringer i form av energi og overføring av energi fra ett objekt til et annet.

For eksempel er det et kraftig jordskjelv som får bygninger til å kollapse (bygninger kollapser på grunn av energien som bæres av jordskjelvbølger). Har du noen gang sett hver del av den kollapsede bygningen komme sammen igjen og stå oppreist som før? Eller for eksempel et glass faller på gulvet og knuser ... Har du noen gang sett glassfragmentene spredt på gulvet komme sammen igjen og danne et glass som er helt som før? Det har aldri skjedd ... det finnes mange andre eksempler.

For å forklare termodynamiske prosesser som bare forekommer i én retning (irreversible prosesser), formulerte forskere termodynamikkens andre lov. Termodynamikkens andre lov forklarer hvilke prosesser som kan forekomme i universet og hvilke som ikke kan. En forsker ved navn RJE Clausius (1822–1888) kom med følgende uttalelse:

Varme beveger seg av seg selv fra et objekt med høy temperatur til et objekt med lav temperatur; varme vil ikke bevege seg av seg selv fra et objekt med lav temperatur til et objekt med høy temperatur (termodynamikkens andre lov – Clausius' utsagn).

Clausius-utsagnet er et spesielt utsagn om termodynamikkens andre lov. Det kalles et spesielt utsagn fordi det bare gjelder én prosess, nemlig varmeoverføring. Fordi dette utsagnet ikke er relatert til andre prosesser, trenger vi et mer generellt utsagn. Utviklingen av det generelle utsagnet om termodynamikkens andre lov var delvis basert på studiet av varmemaskiner. Derfor vil vi diskutere varmemaskiner først.

VARMEMASKIN

Mye av energien vi bruker kommer fra den kjemiske potensielle energien som finnes i petroleum, gass og kull. Den kjemiske potensielle energien som finnes i petroleum, gass eller kull kan ikke brukes direkte. Petroleum, gass eller kull må brennes først. Vanligvis produserer forbrenning av fossilt brensel (petroleum, gass og kull) varme. Varme kan brukes direkte til å lage mat og varme opp et rom. For å bevege noe (for eksempel å flytte et kjøretøy), må vi omdanne varme til kinetisk energi eller mekanisk energi (mekanisk energi = potensiell energi + kinetisk energi). Å omdanne mekanisk energi til varme er en veldig enkel jobb, men å omdanne varme til mekanisk energi er vanskelig. Prøv å gni håndflatene mot hverandre ... håndflatene dine er varme, ikke sant? Når vi gnir håndflatene mot hverandre (vi utfører arbeid), omdannes mekanisk energi til varme. Prosessen er veldig enkel ... Selv uendelig varme kan produseres ved å utføre arbeid. Men den motsatte prosessen, nemlig å bruke varme til å utføre arbeid, er vanskelig.

En innretning som ble brukt til å utnytte varme til å utføre arbeid ble først oppfunnet i 1700. Innretningen det var snakk om var dampmaskinen. Dampmaskiner ble først brukt til å pumpe vann ut av kullgruver. Det er viktig å merke seg at den første bruken av dampmaskiner skjedde før forskere visste at varme faktisk er energi som overføres på grunn av temperaturforskjeller (termodynamikkens første lov var ennå ikke formulert).

Bruken av dampmaskiner på den tiden var sannsynligvis basert på hverdagserfaring som viste at damp kunne bevege ting. Dampmaskiner regnes som varmemaskiner (en varmemaskin = en enhet for å omdanne varme til mekanisk energi). I dag brukes dampmaskiner til å generere elektrisk energi. Moderne varmemaskiner er forbrenningsmotorer (bilmotorer, motorsykkelmotorer osv.).

Grunnideen bak bruk av en varmemotor er at varme bare kan omdannes til mekanisk energi hvis den får strømme fra et område med høy temperatur til et område med lav temperatur. I løpet av denne prosessen omdannes noe av varmen til mekanisk energi (noe av varmen brukes til å utføre arbeid), mens noe av varmen avgis til lavtemperaturområdet. Prosessen med energiomdanning og energioverføring i en varmemotor er vist i diagrammet.

Høy temperatur (T_H) og lav temperatur (T_L) kalles også motorens driftstemperatur. Varme som strømmer fra et sted med høy temperatur har symbolet Q_H, mens varmen som frigjøres til et sted med lav temperatur får symbolet Q_L. Når man strømmer fra et sted med høy temperatur til et sted med lav temperatur, vil noe Q_H omdannes til mekanisk energi (brukes til å utføre arbeid), noe av den frigjøres som Q_LVi håper faktisk virkelig at alle Q_H kan omdannes til W, men hverdagserfaring viser at dette er umulig. Det går alltid noe varme tapt. Basert på energibevaring kan man derfor konkludere med at Q_H = W + Q_L.

La oss nå se på en varmemotor som vanligvis brukes til å omdanne varme til mekanisk energi. Det er viktig å merke seg at vi bare vurderer varmemotorer som utfører kontinuerlig arbeid. For at arbeid skal kunne utføres kontinuerlig, må varme strømme kontinuerlig fra et område med høy temperatur til et område med lav temperatur. Hvis varme bare strømmer én gang, vil arbeidet som utføres av varmemotoren også bare bli gjort én gang (den produserte mekaniske energien vil være svært liten). Derfor kan ikke varmemotoren utnyttes optimalt. En varmemotor kan utnyttes optimalt hvis den utfører arbeid kontinuerlig. Med andre ord er den mekaniske energien som produseres av varmemotoren tilstrekkelig til å brukes til å bevege noe.

Dampmaskin

Dampmaskiner bruker vanndamp som varmeoverføringsmedium. Damp omtales som arbeidsstoffet i en dampmaskin. Det finnes to typer dampmaskiner: stempeldampmaskiner og turbindampmaskiner (dampturbiner). Designene deres er noe forskjellige, men begge typene har likheter: de bruker damp oppvarmet ved å brenne olje, gass, kull eller kjernekraft.

Stempelmotor av damptypen

Vann i en beholder varmes vanligvis opp ved høyt trykk. Fordi det varmes opp ved høyt trykk, skjer kokeprosessen ved høy temperatur. Temperaturen er direkte proporsjonal med trykket. Jo høyere temperaturen på dampen er, desto større er damptrykket. Denne høytemperatur- eller høytrykksdampen beveger seg gjennom innløpsventilen og ekspanderer mot stempelet. Når den ekspanderer, skyver dampen stempelet, noe som får det til å bevege seg til høyre.

Noe av varmen i dampen omdannes til kinetisk energi. Når stempelet beveger seg til høyre, roterer hjulet som er koblet til stempelet (1). Etter en halv omdreining skyver hjulet stempelet tilbake til sin opprinnelige posisjon (2). Når stempelet beveger seg til venstre, lukkes innløpsventilen automatisk, mens eksosventilen åpnes automatisk. Dampen kondenseres av kondensatoren og blir til dugg. Deretter pumpes vannet i kondensatoren tilbake i beholderen for å kokes opp igjen. Og så videre… Fordi prosessen skjer gjentatte ganger, beveger stempelet seg kontinuerlig til høyre og til venstre. Fordi stempelet beveger seg kontinuerlig til høyre og til venstre, roterer også hjulet kontinuerlig. Rotasjonen av hjulet brukes vanligvis til å bevege noe.

Dampturbin

Arbeidsprinsippet til en dampturbin er i hovedsak det samme som for en stempeldampmaskin. Forskjellen er at en stempeldampmaskin bruker et stempel, mens en dampturbin bruker en turbin. I en stempeldampmaskin omdannes varme først til translasjonskinetisk energi i stempelet. Deretter omdannes stempelets translasjonskinetiske energi til rotasjonskinetisk energi i det roterende hjulet. I en dampturbin omdannes varme direkte til rotasjonskinetisk energi i turbinen. Turbinen kan rotere på grunn av en trykkforskjell. Temperaturen på dampen over bladet er mye høyere enn temperaturen på dampen under bladet. Bladet er en tynn plate plassert i midten av turbinen. Temperaturen er direkte proporsjonal med trykket. Fordi temperaturen på dampen over bladet er høyere enn temperaturen på dampen under bladet, er damptrykket over bladet større enn trykket under bladet. Denne trykkforskjellen får dampen til å presse bladet nedover, noe som får turbinen til å rotere. Turbinrotasjonsretningen er vist i figuren.

Det er viktig å merke seg at arbeidsprinsippet til en dampmaskin er basert på energioverføringsdiagrammet som er forklart ovenfor. I dette tilfellet kan mekanisk energi genereres ved å la varme strømme fra et objekt eller sted med høy temperatur til et objekt eller sted med lav temperatur. Derfor er en temperaturforskjell viktig i en dampmaskin.

Hvis du legger merke til hvordan en stempelmotor med stempelmotor fungerer, vil du legge merke til at stempelet fortsatt kan bevege seg til venstre og høyre selv om det ikke er noen temperaturforskjell (ingen kondensator eller pumpe). Stempelet kan bevege seg til høyre på grunn av utvidelsen av høytemperatur- eller høytrykksdamp. I dette tilfellet blir noe av varmen i dampen omdannet til translasjonskinetisk energi for stempelet. Denne translasjonskinetiske energien til stempelet omdannes deretter til rotasjonskinetisk energi for det roterende hjulet. Etter å ha fullført en halv rotasjon, skyver hjulet stempelet tilbake til venstre. Når hjulet skyver stempelet tilbake til venstre, omdannes hjulets rotasjonskinetiske energi igjen til translasjonskinetisk energi for stempelet. Når stempelet beveger seg til venstre, skyver det ut dampen i sylinderen. Samtidig åpnes eksosventilen.

Dampen som skyves av stempelet vil dermed skyve sin venn under eksosventilen. Hvis temperaturen på dampen under eksosventilen er lik temperaturen på dampen som skyves av stempelet, vil all den translasjonsmessige kinetiske energien til stempelet bli konvertert tilbake til dampens indre energi. Indre energi er direkte proporsjonal med temperaturen. Hvis dampens indre energi øker, øker dampens temperatur. Temperaturen er direkte proporsjonal med trykket. Hvis dampens temperatur øker, øker også dampens trykk. Dermed er trykket på dampen som slippes ut gjennom eksosventilen lik trykket på dampen som kommer inn gjennom innløpsventilen. Stempelet vil fortsette å bevege seg kontinuerlig til høyre og venstre, men det vil ikke være noen total kinetisk energi som kan utnyttes (intet totalt produsert arbeid). Så den kinetiske energien som stempelet mottar under ekspansjonsprosessen (stempelet beveger seg til høyre) vil bli returnert til dampen under kompresjonsprosessen (stempelet beveger seg til venstre).

Det konkluderes med at en temperaturforskjell i en dampmaskin fortsatt er nødvendig. Denne temperaturforskjellen i en dampmaskin kan oppnås ved å bruke en kondensator. Når temperaturen og trykket til dampen under eksosventilen er mye lavere enn temperaturen og trykket til dampen i sylinderen, og når stempelet beveger seg tilbake til venstre, er mengden trykk stempelet utøver på dampen mye mindre enn mengden trykk dampen utøver på stempelet når stempelet beveger seg til høyre. Med andre ord er mengden arbeid stempelet gjør på dampen mye mindre enn mengden arbeid dampen gjør på stempelet. Så bare en liten del av stempelets kinetiske energi returneres til dampen. Dermed vil det bli produsert total kinetisk energi eller totalt arbeid. Denne totale kinetiske energien brukes til å bevege noe.

Forbrenningsmotor

Motorsykkel- og bilmotorer er eksempler på forbrenningsmotorer. De kalles forbrenningsmotorer fordi forbrenningsprosessen skjer inne i en lukket sylinder. Forbrenningsmotorer er et resultat av ingeniørkunst som bruker konseptet adiabatisk kompresjon og ekspansjon, som forklart i forrige emne. termodynamikkens første lov.

Vi skal bare vurdere forbrenningsmotorer som bruker bensin og diesel som drivstoff. Bensin og diesel er petroleumsprodukter, og har derfor kjemisk potensiell energi. Den kjemiske potensielle energien i bensin og diesel omdannes først til varme gjennom forbrenningsprosessen. Varmen som produseres gjennom forbrenning omdannes deretter til mekanisk energi. Denne mekaniske energien er det som gjør at en motorsykkel eller bil kan bevege seg. Syklusen i en bensinmotor kalles Otto-syklusen, mens syklusen i en dieselmotor kalles dieselsyklusen. En syklus er en reversibel termodynamisk prosess. La oss først diskutere Otto-syklusen.

Otto-syklusen

Dette er et diagram av en firetakts forbrenningsmotor. En blanding av luft og bensindamp strømmer fra forgasseren inn i sylinderen når stempelet beveger seg nedover (inntaksslaget). Blandingen av luft og bensindamp i sylinderen komprimeres deretter adiabatisk når stempelet beveger seg oppover (kompresjonsslaget). Fordi den komprimeres adiabatisk, øker temperaturen og trykket i blandingen. Samtidig tenner tennpluggen blandingen og antenner den. Når den brenner, øker temperaturen og trykket i gassen. Høytemperaturgassen under høyt trykk ekspanderer mot stempelet og presser det nedover (ekspansjonsslaget). Den forbrente gassen slippes deretter ut gjennom eksosventilen og ledes mot eksosrøret (eksosslaget). Inntaksventilen åpnes igjen, og de fire slagene gjentas.

Det er viktig å merke seg at formålet med det adiabatiske kompresjonsslaget er å øke temperaturen og trykket i luft-bensindampblandingen. Forbrenning ved høyt trykk produserer svært høye temperaturer og trykk. Følgelig er skyvekraften (F = PA) som genereres under ekspansjonsprosessen svært stor. Dette resulterer i at en motorsykkel- eller bilmotor blir kraftigere. Selv uten kompresjon kan luft-bensindampblandingen antennes når tennpluggen produserer en gnist. Temperaturen og trykket til den forbrente gassen er imidlertid ikke veldig høyt, så den resulterende skyvekraften er også liten. Som et resultat blir motoren mindre kraftig.

Prosessen med energiomforming og energioverføring i en firetakts forbrenningsmotor kan forklares slik: Under forbrenning omdannes den kjemiske potensielle energien i bensin og energien i luften til varme. Noe av varmen omdannes til mekanisk energi i stempelstangen og veivakselen, mens noe frigjøres gjennom eksosrøret. Mesteparten av den mekaniske energien i stempelstangen og veivakselen omdannes til mekanisk energi i kjøretøyet (bevegelse av kjøretøyet), mens en liten del omdannes til varme. Varme genereres ved friksjon.

Den adiabatiske ekspansjons- og kompresjonsprosessen i Otto-syklusen kan illustreres med diagrammet nedenfor. Dette diagrammet viser en idealisert modell av de termodynamiske prosessene som forekommer i en bensindrevet forbrenningsmotor.

En blanding av luft og bensindamp kommer inn i sylinderen (a). Blandingen av luft og bensindamp komprimeres deretter adiabatisk (a-b). Merk at sylindervolumet avtar. Blandingen av luft og bensindamp varmes opp ved konstant volum – blandingen brennes (b-c). Den brente gassen gjennomgår adiabatisk ekspansjon (c-d). Avkjøling ved konstant volum – den brente gassen slippes ut i eksosrøret, og en ny blanding av luft + bensindamp kommer inn i sylinderen (d-a).

En blanding av luft og bensindamp kommer inn i sylinderen (a). Blandingen av luft og bensindamp komprimeres deretter adiabatisk (a-b). Merk at sylindervolumet avtar. Blandingen av luft og bensindamp varmes opp ved konstant volum – blandingen brennes (b-c). Den brente gassen gjennomgår adiabatisk ekspansjon (c-d). Avkjøling ved konstant volum – den brente gassen slippes ut i eksosrøret, og en ny blanding av luft + bensindamp kommer inn i sylinderen (d-a).

Dieselsyklus

Arbeidsprinsippet til en dieselmotor ligner på en bensinmotor. Forskjellen ligger i det innledende adiabatiske kompresjonstrinnet (adiabatisk kompresjon = kompresjon som gjøres så raskt at varme ikke rekker å strømme inn i eller ut av systemet. Systemet er i dette tilfellet en sylinder). Mens det i en bensinmotor komprimeres en blanding av luft og bensindamp, komprimeres bare luften i en dieselmotor. Adiabatisk kompresjon fører til at temperaturen og trykket i luften øker. Deretter sprøyter injektoren, også kjent som injektoren, diesel. Fordi temperaturen og trykket i luften allerede er veldig høyt, antennes dieselen umiddelbart når dieselen sprøytes inn i sylinderen. Ingen tennplugger er nødvendig. Merk trykkverdien som vises i diagrammet nedenfor. Bsammenlign med størrelsen på trykket vist i Otto-syklusdiagrammet.

Dette diagrammet viser en ideell dieselsyklus. Først komprimeres luften adiabatisk (a-b), deretter varmes den opp ved konstant trykk – injektoren sprøyter diesel og forbrenning skjer (b-c), den brente gassen gjennomgår adiabatisk ekspansjon (c-d), avkjøles ved konstant volum – den brente gassen presses ut gjennom eksosrøret og frisk luft kommer inn i sylinderen (d-a).

Basert på forklaringen ovenfor kan det konkluderes med at hver varmemotor i hovedsak har et spesifikt arbeidsstoff. Arbeidsstoffet for en dampmotor er vann, arbeidsstoffet for en bensinmotor er luft og bensindamp, og arbeidsstoffet for en dieselmotor er luft og diesel. Arbeidsstoffet absorberer vanligvis varme ved høy temperatur (Q_H), utføre arbeid (W), og deretter frigjøre den gjenværende varmen ved en lavere temperatur (Q_L). Fordi energi er bevart, så er Q_H = W + Q_L.

Effektiviteten til varmemotoren

Virkningsgraden (e) til en varmemotor er forholdet mellom arbeidet (W) som utføres av motoren og varmetilførselen ved høy temperatur (Q)._HMatematisk kan det skrives slik:

W er fortjenesten vi mottar, mens Q er fortjenesten vi mottar._H er kostnaden vi pådrar oss for å kjøpe og forbrenne drivstoff. Som mennesker som alltid ønsker å oppnå størst mulig profitt og minst mulig utgift, håper vi virkelig at profitten vi oppnår (W) står i forhold til kostnaden vi pådrar oss (QH). Er det mulig?

Basert på energibevaring, er tilførselsvarmen (Q_H) må være lik utført arbeid (W) + frigjort varme (Q)_LMatematisk sett:

Hvis du vil uttrykke virkningsgraden til en varmemotor i prosent, multipliserer du ganske enkelt virkningsgradsligningen med 100 %. Basert på virkningsgradsligningen ovenfor, jo mer varme avgis (Q_L) av en varmemotor, desto mindre effektiv er varmemotoren. Vi ønsker egentlig mengden varme som avgis (Q_L) så lite som mulig. Imidlertid er varmetilførselen (Q_H) oppnås vanligvis ved å brenne olje, kull, gass osv. (drivstoffet vi betaler for).

Derfor er enhver varmemotor i hovedsak designet for å være så effektiv som mulig. Selv om vi ønsker størst mulig nytte av minst mulig utgift, er realiteten at dampmotorer vanligvis er omtrent 40 % effektive, mens forbrenningsmotorer er omtrent 50 %. Dette betyr at halvparten av varmen som produseres ved forbrenning av drivstoff går til spille. Bare halvparten omdannes til mekanisk energi.

Eksempelspørsmål 1:

En varmemotor absorberer 3000 joule varme (Q_H), utfører arbeid (W) og frigjør 2500 joule varme (Q_L). Hva er virkningsgraden til varmemotoren?

Diskusjon

Eksempelspørsmål 2:

En varmemotor absorberer 3000 joule varme (Q_H), utfører arbeid (W) og frigjør 2000 joule varme (Q_L). Hva er virkningsgraden til varmemotoren?

Diskusjon

Eksempelspørsmål 3:

En varmemotor absorberer 3000 joule varme (Q_H), utfører arbeid (W) og frigjør 1500 joule varme (Q_L). Hva er virkningsgraden til varmemotoren?

Diskusjon