Druga zasada termodynamiki

Artykuł o Drugiej Zasadzie Termodynamiki

Wszystkie naturalnie występujące procesy zachodzą tylko w jednym kierunku, ale nie mogą zachodzić w kierunku przeciwnym, co zwykle nazywa się procesami nieodwracalnymi. Po uwolnieniu z łodygi i swobodny spadek Kiedy mango spada na ziemię, nigdy nie wraca do góry. Książka, którą pchamy, a następnie zatrzymujemy, nigdy nie wraca w naszym kierunku. Jeśli dotkniemy przedmiotu o wysokiej temperaturze (gorącego przedmiotu) przedmiotem o niskiej temperaturze (zimnego przedmiotu), ciepło naturalnie przepływa z przedmiotu o wysokiej temperaturze do przedmiotu o niskiej temperaturze. Nigdy nie obserwujemy procesu odwrotnego, w którym ciepło naturalnie przepływa z przedmiotu zimnego do przedmiotu gorącego. Gdyby ten proces zaszedł, przedmiot zimny stałby się zimniejszy, a przedmiot gorący – cieplejszy. Ale w rzeczywistości tak nie jest. Istnieje wiele nieodwracalnych procesów, które wydają się różne od siebie, ale wszystkie obejmują zmiany w formie energii i transfer energii z jednego przedmiotu do drugiego.

Na przykład, silne trzęsienie ziemi powoduje zawalenie się budynków (budynki zawalają się pod wpływem energii fal sejsmicznych). Czy widziałeś kiedyś, jak każda część zawalonego budynku wraca do siebie i staje prosto jak przedtem? Albo, na przykład, jak szklanka spada na podłogę i się tłucze... Czy widziałeś kiedyś, jak rozrzucone po podłodze odłamki szkła łączą się i tworzą szklankę, która jest cała jak przedtem? Nigdy się to nie zdarzyło... jest wiele innych przykładów.

Aby wyjaśnić procesy termodynamiczne zachodzące tylko w jednym kierunku (procesy nieodwracalne), naukowcy sformułowali drugą zasadę termodynamiki. Druga zasada termodynamiki wyjaśnia, które procesy mogą zachodzić we wszechświecie, a które nie. Jeden z naukowców, RJE, Clausiusa (1822‐1888) złożył następujące oświadczenie:

Ciepło przemieszcza się samoistnie z obiektu o wysokiej temperaturze do obiektu o niskiej temperaturze; ciepło nie przemieszcza się samoistnie z obiektu o niskiej temperaturze do obiektu o wysokiej temperaturze (druga zasada termodynamiki – stwierdzenie Clausiusa).

Stwierdzenie Clausiusa jest szczególnym sformułowaniem drugiej zasady termodynamiki. Nazywa się je stwierdzeniem szczególnym, ponieważ odnosi się tylko do jednego procesu, a mianowicie do wymiany ciepła. Ponieważ to sformułowanie nie odnosi się do innych procesów, potrzebujemy sformułowania bardziej ogólnego. Rozwój ogólnego sformułowania drugiej zasady termodynamiki był częściowo oparty na badaniach nad silnikami cieplnymi. Dlatego najpierw omówimy silniki cieplne.

SILNIK CIEPLNY

Znaczna część energii, której używamy, pochodzi z chemicznej energii potencjalnej zawartej w ropie naftowej, gazie i węglu. Chemicznej energii potencjalnej zawartej w ropie naftowej, gazie lub węglu nie można wykorzystać bezpośrednio. Ropa naftowa, gaz lub węgiel muszą zostać najpierw spalone. Zazwyczaj spalanie paliw kopalnych (ropy naftowej, gazu i węgla) wytwarza ciepło. Ciepło może być wykorzystane bezpośrednio do gotowania jedzenia i ogrzewania pomieszczenia. Aby coś poruszyć (na przykład, aby poruszyć pojazd), musimy zamienić ciepło na energię kinetyczną lub mechaniczną (energia mechaniczna = energia potencjalna + energia kinetyczna). Zamiana energii mechanicznej na ciepło jest bardzo łatwa, ale zamiana ciepła na energię mechaniczną jest trudna. Spróbuj pocierać dłonie… twoje dłonie są gorące, prawda? Kiedy pocieramy dłonie o siebie (wykonujemy pracę), energia mechaniczna zamienia się w ciepło. Proces jest bardzo prosty… Nawet nieskończone ciepło można wytworzyć wykonując pracę. Ale proces odwrotny, czyli wykorzystanie ciepła do wykonania pracy, jest trudny.

Urządzenie służące do wykorzystywania ciepła do wykonywania pracy zostało wynalezione dopiero w 1700 roku. Chodzi o maszynę parową. Silniki parowe po raz pierwszy wykorzystano do pompowania wody z kopalń węgla. Warto zauważyć, że pierwsze użycie maszyn parowych nastąpiło, zanim naukowcy odkryli, że ciepło to w rzeczywistości energia przenoszona w wyniku różnic temperatur (pierwsza zasada termodynamiki nie została jeszcze sformułowana).

Użycie silników parowych w tamtych czasach prawdopodobnie opierało się na codziennym doświadczeniu, które pokazywało, że para może poruszać przedmiotami. Silniki parowe są uważane za silniki cieplne (silnik cieplny = urządzenie do przekształcania ciepła w energię mechaniczną). Obecnie silniki parowe służą do wytwarzania energii elektrycznej. Współczesne silniki cieplne to silniki spalinowe (silniki samochodowe, motocyklowe itp.).

Podstawową ideą silnika cieplnego jest to, że ciepło może zostać przekształcone w energię mechaniczną tylko wtedy, gdy umożliwi się mu przepływ z obszaru o wysokiej temperaturze do obszaru o niskiej temperaturze. W trakcie tego procesu część ciepła jest przekształcana w energię mechaniczną (część ciepła jest wykorzystywana do wykonania pracy), a część jest odprowadzana do obszaru o niskiej temperaturze. Proces konwersji i transferu energii w silniku cieplnym przedstawiono na schemacie.

Wysoka temperatura (T_H) i niskiej temperaturze (T_L) nazywana jest również temperaturą pracy silnika. Ciepło płynące z miejsca o wysokiej temperaturze jest oznaczane symbolem Q._H, podczas gdy ciepło uwalniane do miejsca o niskiej temperaturze jest oznaczane symbolem Q_L. Podczas przepływu z miejsca o wysokiej temperaturze do miejsca o niskiej temperaturze, pewne Q_H przekształcana w energię mechaniczną (wykorzystywaną do wykonania pracy), część z niej uwalniana jest jako Q_L. Tak naprawdę mamy nadzieję, że wszystkie Q_H Można przekształcić w W, ale codzienne doświadczenie pokazuje, że jest to niemożliwe. Zawsze następuje utrata ciepła. Zatem, na podstawie zasady zachowania energii, można stwierdzić, że Q_H = W + Q_L.

Przyjrzyjmy się teraz silnikowi cieplnemu powszechnie używanemu do przekształcania ciepła w energię mechaniczną. Należy zauważyć, że rozważamy tylko silniki cieplne wykonujące pracę w sposób ciągły. Aby praca była wykonywana w sposób ciągły, ciepło musi przepływać w sposób ciągły z obszaru o wysokiej temperaturze do obszaru o niskiej temperaturze. Jeśli ciepło przepływa tylko raz, praca wykonana przez silnik cieplny również zostanie wykonana tylko raz (wytworzona energia mechaniczna będzie bardzo mała). Dlatego silnik cieplny nie może być optymalnie wykorzystany. Silnik cieplny może być optymalnie wykorzystany, jeśli wykonuje pracę w sposób ciągły. Innymi słowy, energia mechaniczna wytworzona przez silnik cieplny jest wystarczająca, aby wykorzystać ją do poruszania obiektu.

Silnik parowy

Silniki parowe wykorzystują parę wodną jako nośnik ciepła. Para wodna jest nazywana czynnikiem roboczym silnika parowego. Istnieją dwa rodzaje silników parowych: tłokowe silniki parowe i turbinowe silniki parowe (turbiny parowe). Ich konstrukcje różnią się nieznacznie, ale oba typy mają wspólne cechy: wykorzystują parę wodną ogrzewaną poprzez spalanie oleju opałowego, gazu, węgla lub energii jądrowej.

Silnik parowy tłokowy

Woda w pojemniku jest zazwyczaj podgrzewana pod wysokim ciśnieniem. Ponieważ jest podgrzewana pod wysokim ciśnieniem, proces wrzenia zachodzi w wysokiej temperaturze. Temperatura jest wprost proporcjonalna do ciśnienia. Im wyższa temperatura pary, tym wyższe ciśnienie pary. Ta para o wysokiej temperaturze lub ciśnieniu przepływa przez zawór wlotowy i rozpręża się, działając na tłok. W miarę rozprężania się para popycha tłok, powodując jego ruch w prawo.

Część ciepła w parze zamienia się w energię kinetyczną. Gdy tłok porusza się w prawo, koło połączone z tłokiem obraca się (1). Po półobrocie koło popycha tłok z powrotem do jego pierwotnego położenia (2). Gdy tłok porusza się w lewo, zawór wlotowy automatycznie się zamyka, a zawór wylotowy automatycznie się otwiera. Para jest skraplana przez skraplacz, zamieniając się w rosę. Następnie woda w skraplaczu jest pompowana z powrotem do pojemnika, aby ją ponownie zagotować. I tak dalej... Ponieważ proces ten zachodzi wielokrotnie, tłok porusza się w prawo i w lewo w sposób ciągły. Ponieważ tłok porusza się w prawo i w lewo w sposób ciągły, koło również obraca się w sposób ciągły. Obrót koła jest zwykle wykorzystywany do poruszania czegoś.

Turbina parowa

Zasada działania turbiny parowej jest zasadniczo taka sama jak w silniku parowym tłokowym. Różnica polega na tym, że silnik parowy tłokowy wykorzystuje tłok, a turbina parowa – turbinę. W silniku parowym tłokowym ciepło jest najpierw przekształcane w energię kinetyczną ruchu postępowego tłoka. Następnie energia kinetyczna ruchu postępowego tłoka jest przekształcana w energię kinetyczną ruchu obrotowego obracającego się koła. W turbinie parowej ciepło jest bezpośrednio przekształcane w energię kinetyczną ruchu obrotowego turbiny. Turbina może się obracać dzięki różnicy ciśnień. Temperatura pary nad łopatką jest znacznie wyższa niż temperatura pary pod łopatką. Łopatka to cienka płytka umieszczona w środku turbiny. Temperatura jest wprost proporcjonalna do ciśnienia. Ponieważ temperatura pary nad łopatką jest wyższa niż temperatura pary pod łopatką, ciśnienie pary nad łopatką jest wyższe niż ciśnienie pod łopatką. Ta różnica ciśnień powoduje, że para spycha łopatkę w dół, powodując obrót turbiny. Kierunek obrotu turbiny pokazano na rysunku.

Należy zauważyć, że zasada działania silnika parowego opiera się na schemacie przekazywania energii wyjaśnionym powyżej. W tym przypadku energia mechaniczna może być generowana poprzez przepływ ciepła z obiektu lub miejsca o wysokiej temperaturze do obiektu lub miejsca o niskiej temperaturze. Dlatego w silniku parowym niezbędna jest różnica temperatur.

Jeśli zwrócisz uwagę na to, jak działa silnik parowy tłokowy, zauważysz, że tłok może nadal poruszać się w lewo i w prawo, mimo że nie ma różnicy temperatur (brak skraplacza lub pompy). Tłok może poruszać się w prawo z powodu rozprężania się pary o wysokiej temperaturze lub ciśnieniu. W tym przypadku część ciepła w parze jest przekształcana w energię kinetyczną ruchu postępowego tłoka. Ta energia kinetyczna ruchu postępowego tłoka jest następnie przekształcana w energię kinetyczną ruchu obrotowego obracającego się koła. Po wykonaniu połowy obrotu koło popycha tłok z powrotem w lewo. Gdy koło popycha tłok z powrotem w lewo, energia kinetyczna ruchu obrotowego koła jest ponownie przekształcana w energię kinetyczną ruchu postępowego tłoka. Gdy tłok porusza się w lewo, wypycha parę z cylindra. Jednocześnie otwiera się zawór wydechowy.

Zatem para wypychana przez tłok będzie pchać swego przyjaciela pod zawór wydechowy. Teraz, jeśli temperatura pary pod zaworem wydechowym jest równa temperaturze pary wypychanej przez tłok, wówczas cała energia kinetyczna ruchu postępowego tłoka zostanie przekształcona z powrotem w energię wewnętrzną pary. Energia wewnętrzna jest wprost proporcjonalna do temperatury. Jeśli energia wewnętrzna pary wzrasta, temperatura pary wzrasta. Temperatura jest wprost proporcjonalna do ciśnienia. Jeśli temperatura pary wzrasta, ciśnienie pary również wzrasta. Zatem ciśnienie pary wypuszczanej przez zawór wydechowy jest równe ciśnieniu pary wchodzącej przez zawór wlotowy. Tłok będzie nadal poruszał się w prawo i w lewo w sposób ciągły, ale nie będzie całkowitej energii kinetycznej, która mogłaby zostać wykorzystana (nie zostanie wykonana żadna całkowita praca). Tak więc energia kinetyczna otrzymana przez tłok podczas procesu rozprężania (tłok porusza się w prawo) zostanie zwrócona parze podczas procesu sprężania (tłok porusza się w lewo).

Wniosek jest taki, że w silniku parowym nadal konieczna jest różnica temperatur. Tę różnicę temperatur można uzyskać, stosując skraplacz. Gdy temperatura i ciśnienie pary poniżej zaworu wydechowego są znacznie niższe niż temperatura i ciśnienie pary w cylindrze, to gdy tłok przesuwa się w lewo, ciśnienie wywierane przez tłok na parę jest znacznie mniejsze niż ciśnienie wywierane przez parę na tłok, gdy tłok przesuwa się w prawo. Innymi słowy, praca, jaką tłok wykonuje na parze, jest znacznie mniejsza niż praca, jaką para wykonuje na tłoku. Zatem tylko niewielka część energii kinetycznej tłoka jest zwracana parze. W ten sposób powstaje całkowita energia kinetyczna lub całkowita praca. Ta całkowita energia kinetyczna jest wykorzystywana do poruszania czegoś.

Silnik spalinowy

Silniki motocyklowe i samochodowe są przykładami silników spalinowych. Nazywa się je silnikami spalinowymi, ponieważ proces spalania zachodzi w zamkniętym cylindrze. Silniki spalinowe są wynikiem inżynierii wykorzystującej koncepcję adiabatycznego sprężania i rozprężania, jak wyjaśniono w poprzednim temacie. pierwsza zasada termodynamiki.

Rozważymy tylko silniki spalinowe, które wykorzystują benzynę i olej napędowy jako paliwo. Benzyna i olej napędowy są produktami ropopochodnymi i dlatego posiadają chemiczną energię potencjalną. Energia chemiczna w benzynie i oleju napędowym jest najpierw przekształcana w ciepło w procesie spalania. Ciepło wytwarzane w procesie spalania jest następnie przekształcane w energię mechaniczną. Ta energia mechaniczna umożliwia poruszanie się motocykla lub samochodu. Cykl w silniku benzynowym nazywa się cyklem Otto, a w silniku Diesla cyklem Diesla. Cykl to odwracalny proces termodynamiczny. Omówmy najpierw cykl Otto.

Cykl Otto

Oto schemat czterosuwowego silnika spalinowego. Mieszanka powietrza i oparów benzyny przepływa z gaźnika do cylindra podczas ruchu tłoka w dół (suw ssania). Mieszanka powietrza i oparów benzyny w cylindrze jest następnie sprężana adiabatycznie podczas ruchu tłoka w górę (suw sprężania). Ponieważ jest sprężana adiabatycznie, temperatura i ciśnienie mieszanki rosną. Jednocześnie świeca zapłonowa zapala mieszankę, powodując jej zapłon. Podczas spalania wzrasta temperatura i ciśnienie gazu. Gaz o wysokiej temperaturze i ciśnieniu rozpręża się w kierunku tłoka, popychając go w dół (suw rozprężania). Spalony gaz jest następnie uwalniany przez zawór wydechowy i kierowany w stronę rury wydechowej (suw wydechu). Zawór ssący otwiera się ponownie, a cztery suwy silnika powtarzają się.

Należy zauważyć, że celem adiabatycznego suwu sprężania jest zwiększenie temperatury i ciśnienia mieszanki paliwowo-powietrznej. Spalanie pod wysokim ciśnieniem generuje bardzo wysokie temperatury i ciśnienia. W rezultacie ciąg (F = PA) generowany podczas procesu rozprężania jest bardzo duży. W rezultacie silnik motocykla lub samochodu staje się mocniejszy. Nawet bez sprężania mieszanka paliwowo-powietrzna może się zapalić, gdy świeca zapłonowa wytworzy iskrę. Jednak temperatura i ciśnienie spalanego gazu nie są zbyt wysokie, więc powstający ciąg jest również niewielki. W rezultacie silnik staje się mniej mocny.

Proces przemiany i transferu energii w czterosuwowym silniku spalinowym można wyjaśnić w następujący sposób: Podczas spalania energia potencjalna chemiczna benzyny oraz energia powietrza są przekształcane w ciepło. Część ciepła jest przekształcana w energię mechaniczną w tłoczysku i wale korbowym, a część jest uwalniana przez rurę wydechową. Większość energii mechanicznej w tłoczysku i wale korbowym jest przekształcana w energię mechaniczną pojazdu (wprawiając go w ruch), a niewielka część jest przekształcana w ciepło. Ciepło jest generowane przez tarcie.

Proces adiabatycznego rozprężania i sprężania w cyklu Otto można zilustrować poniższym diagramem. Diagram ten przedstawia zidealizowany model procesów termodynamicznych zachodzących w silniku spalinowym zasilanym benzyną.

Mieszanina powietrza i pary benzyny dostaje się do cylindra (a). Mieszanina powietrza i pary benzyny jest następnie sprężana adiabatycznie (a-b). Należy zauważyć, że objętość cylindra maleje. Mieszanina powietrza i pary benzyny jest podgrzewana do stałej objętości – następuje jej spalanie (b-c). Spalony gaz ulega adiabatycznemu rozprężaniu (c-d). Chłodzenie do stałej objętości – spalony gaz jest odprowadzany do rury wydechowej, a do cylindra dostaje się nowa mieszanka powietrza i pary benzyny (d-a).

Mieszanina powietrza i pary benzyny dostaje się do cylindra (a). Mieszanina powietrza i pary benzyny jest następnie sprężana adiabatycznie (a-b). Należy zauważyć, że objętość cylindra maleje. Mieszanina powietrza i pary benzyny jest podgrzewana do stałej objętości – następuje jej spalanie (b-c). Spalony gaz ulega adiabatycznemu rozprężaniu (c-d). Chłodzenie do stałej objętości – spalony gaz jest odprowadzany do rury wydechowej, a do cylindra dostaje się nowa mieszanka powietrza i pary benzyny (d-a).

Cykl Diesla

Zasada działania silnika Diesla jest podobna do zasady działania silnika benzynowego. Różnica polega na początkowym etapie sprężania adiabatycznego (sprężanie adiabatyczne = sprężanie, które zachodzi tak szybko, że ciepło nie ma czasu na dopływ lub odpływ z układu. Układem w tym przypadku jest cylinder). Podczas gdy w silniku benzynowym sprężana jest mieszanina powietrza i pary benzyny, w silniku Diesla sprężane jest tylko powietrze. Sprężanie adiabatyczne powoduje wzrost temperatury i ciśnienia powietrza. Następnie wtryskiwacz, zwany również wtryskiwaczem, rozpyla olej napędowy. Ponieważ temperatura i ciśnienie powietrza są już bardzo wysokie, po rozpyleniu oleju napędowego do cylindra następuje jego natychmiastowy zapłon. Nie są potrzebne świece zapłonowe. Zwróć uwagę na wartość ciśnienia pokazaną na poniższym wykresie. Bporównaj z wielkością ciśnienia pokazaną na diagramie cyklu Otto.

Ten schemat przedstawia idealny cykl Diesla. Początkowo powietrze jest sprężane adiabatycznie (a-b), następnie podgrzewane pod stałym ciśnieniem – wtryskiwacz rozpyla olej napędowy i następuje spalanie (b-c), spalane gazy ulegają adiabatycznemu rozprężaniu (c-d), schładzają się przy stałej objętości – spalane gazy są wydalane przez rurę wydechową, a świeże powietrze dostaje się do cylindra (d-a).

Na podstawie powyższego wyjaśnienia można stwierdzić, że każdy silnik cieplny ma zasadniczo określoną substancję roboczą. W silniku parowym substancją roboczą jest woda, w silniku benzynowym – powietrze i para benzyny, a w silniku wysokoprężnym – powietrze i olej napędowy. Substancja robocza zazwyczaj pochłania ciepło w wysokiej temperaturze (Q)._H), wykonując pracę (W), a następnie oddając pozostałe ciepło w niższej temperaturze (Q_L). Ponieważ energia jest zachowana, Q_H = W + Q_L.

Sprawność silnika cieplnego

Sprawność (e) silnika cieplnego to stosunek pracy (W) wykonanej przez silnik do ciepła dostarczonego w wysokiej temperaturze (Q)._H). Matematycznie można to zapisać w ten sposób:

W to zysk, który otrzymujemy, a Q to zysk, który otrzymujemy._H to koszt, jaki ponosimy, kupując i spalając paliwo. Jako ludzie, którzy zawsze dążą do osiągnięcia jak największego zysku i jak najmniejszych wydatków, naprawdę mamy nadzieję, że zysk (W) będzie współmierny do poniesionego kosztu (QH). Czy to możliwe?

Na podstawie zasady zachowania energii ciepło wejściowe (Q_H) musi być równa wykonanej pracy (W) + wydzielonemu ciepłu (Q)_L). Matematycznie:

Aby wyrazić sprawność silnika cieplnego w procentach, wystarczy pomnożyć równanie sprawności przez 100%. Zgodnie z powyższym równaniem sprawności, im więcej ciepła zostanie odrzucone (Q_L) przez silnik cieplny, tym mniej wydajny jest silnik cieplny. Naprawdę zależy nam na ilości oddawanego ciepła (Q_L) jak najmniej. Jednakże ilość ciepła doprowadzonego (Q_H) uzyskuje się zazwyczaj poprzez spalanie ropy naftowej, węgla, gazu itp. (paliwa, za które płacimy).

Dlatego każdy silnik cieplny jest zasadniczo projektowany tak, aby był jak najbardziej wydajny. Chociaż dążymy do uzyskania jak największych korzyści przy jak najmniejszych wydatkach, w rzeczywistości sprawność silników parowych wynosi zazwyczaj około 40%, podczas gdy sprawność silników spalinowych wynosi około 50%. Oznacza to, że połowa ciepła wytwarzanego podczas spalania paliwa jest marnowana. Tylko połowa jest przekształcana w energię mechaniczną.

Przykładowe pytanie 1:

Silnik cieplny pochłania 3000 dżuli ciepła (Q_H), wykonując pracę (W) i uwalniając 2500 dżuli ciepła (Q_L). Jaka jest sprawność silnika cieplnego?

Pembahasan

Przykładowe pytanie 2:

Silnik cieplny pochłania 3000 dżuli ciepła (Q_H), wykonując pracę (W) i uwalniając 2000 dżuli ciepła (Q_L). Jaka jest sprawność silnika cieplnego?

Pembahasan

Przykładowe pytanie 3:

Silnik cieplny pochłania 3000 dżuli ciepła (Q_H), wykonując pracę (W) i uwalniając 1500 dżuli ciepła (Q_L). Jaka jest sprawność silnika cieplnego?

Pembahasan