For å forklare de irreversible termodynamiske prosessene formulerte forskerne termodynamikkens andre lov. Termodynamikkens andre lov forklarer hvilke prosesser som kan forekomme i universet og hvilke prosesser som ikke kan forekomme. En forsker ved navn RJE Clausius (1822-1888) kom med følgende uttalelse:
Naturligvis beveger varme seg fra objekter med høy temperatur til objekter med lav temperatur; naturlig nok går ikke varme fra objekter med lav temperatur til objekter med høy temperatur (termodynamikkens andre lov – Clausius' utsagn).
Clausius' påstand er en av de spesielle påstandene i termodynamikkens andre lov. Den kalles en spesiell påstand fordi den bare gjelder én prosess, relatert til varmeoverføring. Siden denne påstanden ikke er relatert til andre prosesser, trenger vi en mer generell påstand. Utviklingen av en generell påstand i termodynamikkens andre lov er basert på studiet av varmemotorer. Derfor diskuterer vi motorvarme først.
Varmemotor
Mye av energien vi bruker kommer fra kjemisk potensiell energi som finnes i petroleum, gass og kull. Kjemisk potensiell energi som skal utnyttes direkte må forbrennes først. Vanligvis produserer forbrenning av fossilt brensel (olje, gass og kull) varme. Varme kan brukes direkte til å lage mat eller varme opp 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).
Et verktøy som bruker varme til å utføre arbeid ble oppdaget i 1700. Det var en dampmaskin. Dampmaskinen ble først brukt til å pumpe vann ut av en kullgruve.
Bruk av dampmaskiner er fordi damp kan bevege ting. Dampmaskiner inkluderer en varmemotor (en varmemotor er et verktøy for å omdanne varme til mekanisk energi). Nå brukes dampmaskinen til å generere elektrisk energi. Moderne varmemotorer er forbrenningsmotorer som bilmotorer, motorsykkelmotorer osv.
Grunnideen bak bruken av varmemotorer er at oppvarming kan omdannes til mekanisk energi hvis varme får strømme fra høye temperaturer til lave temperaturer. I løpet av denne prosessen omdannes noe varme til mekanisk energi (noe varme brukes til å gjøre arbeidet), noe varme avgis på steder med lav temperatur. Prosessen med å endre formen på energi og energioverføring i varmemotoren ser ut som dette diagrammet.
Høy temperatur (TH) og lav temperatur (TL) kalles maskinens driftstemperatur. QH er varmen som strømmer fra den høye temperaturen, mens QL er varme som strømmer til et sted med lav temperatur. Når man beveger seg fra høye temperaturer til lave temperaturer, omdannes noe varme til mekanisk energi (brukes til arbeid), noe varme avhendes som QLAll varme kan ikke omdannes til arbeid (W), det er alltid varme som frigjøres (QL). Dermed, basert på energibevaring, QH = W + QL.
Det finnes flere varmemotorer, inkludert dampmaskiner og forbrenningsmotorer.
Dampmotor
Dampmaskiner bruker vanndamp som varmeoverføringsmedium. Damp er arbeidsfluid. Det finnes to typer dampmaskiner: vekseldampmaskiner og turbindampmaskiner. Utformingen av denne motoren er forskjellig, men disse to typene dampmaskiner bruker damp som varmes opp ved å brenne olje, gass, kull eller ved å bruke kjernekraft.
Interne forbrenningsmotorer
Motorsykkelmotorer og bilmotorer er eksempler på forbrenningsmotorer. De kalles forbrenningsmotor fordi forbrenningsprosessen skjer inne i lukkede sylindere. Tilstedeværelsen av en forbrenningsmotor er et resultat av det tekniske konseptet adiabatisk kompresjon og ekspansjon.
Varmemotorens effektivitet
Virkningsgraden til varmemotoren (e) er en sammenligning mellom arbeid (W) utført av maskinen med en varmetilførsel ved høy temperatur (Q H ).
W er gevinsten vi mottar, mens QH er kostnaden som påløper ved å kjøpe og forbrenne drivstoff. Som mennesker som alltid ønsker å oppnå maksimal profitt og lavest mulig utgift, håper vi at profittøkningen (W) er proporsjonal med kostnaden vi bruker (QH ) . Kan det skje?
Basert på energibevaring, må varme (QH ) være lik arbeid (W) + utledet varme (QL ).
Erstatt W i ligning 1 med W i ligning 2
Dette er ligningen for varmemotorens virkningsgrad.
Spørsmål 1:
En varmemotor absorberer 3000 joule (Q₁₀H ) varme, utfører arbeid (W) og fjerner 2500 joule (Q₁₀L ) varme. Beregn motorens varmeeffektivitet.
Oppløsning
Varmemotorens virkningsgrad = 17 %.
Spørsmål 2:
En varmemotor absorberer 3000 joule varme (QH ) , utfører arbeid (W) og fjerner 2000 joule varme (QL ) . Beregn virkningsgraden til varmemotoren.
Oppløsning
Varmemotorens virkningsgrad = 34 %.
Spørsmål 3:
En varmemotor absorberer 3000 joule varme (QH ) , utfører arbeid (W) og avgir så mye som 1500 joule varme (QL ) . Beregn virkningsgraden til en varmemotor?
Oppløsning
Varmemotorens virkningsgrad = 50 %.
