Articol despre a doua lege a termodinamicii
Toate procesele naturale se produc într-o singură direcție, dar nu pot avea loc în direcția opusă, fiind denumite în mod obișnuit procese ireversibile. După ce se eliberează de pe tulpină și cade liber pe pământ, un mango nu se mai mișcă niciodată în sus. O carte pe care o împingem și apoi o oprim nu se mai mișcă niciodată înapoi spre noi. Dacă atingem un obiect cu temperatură ridicată (obiect fierbinte) cu un obiect cu temperatură scăzută (obiect rece), căldura curge în mod natural de la obiectul cu temperatură ridicată la obiectul cu temperatură scăzută. Nu vedem niciodată procesul invers, în care căldura se deplasează în mod natural de la un obiect rece la un obiect fierbinte. Dacă acest proces s-ar întâmpla, atunci obiectul rece ar deveni mai rece, în timp ce obiectul fierbinte ar deveni mai fierbinte. Dar, în realitate, nu este așa. Există multe procese ireversibile care par diferite unele de altele, dar toate implică schimbări în forma energiei și transferul de energie de la un obiect la altul.
De exemplu, există un cutremur puternic care provoacă prăbușirea clădirilor (clădirile se prăbușesc din cauza energiei transportate de undele cutremurului). Ați văzut vreodată fiecare parte a clădirii prăbușite reîntâlnindu-se și stând în picioare ca înainte? Sau, de exemplu, un pahar cade pe podea și se sparge... Ați văzut vreodată fragmentele de sticlă împrăștiate pe podea reîntâlnindu-se și formând un pahar care este întreg ca înainte? Nu s-a întâmplat niciodată... există multe alte exemple.
Pentru a explica procesele termodinamice care au loc într-o singură direcție (procese ireversibile), oamenii de știință au formulat a doua lege a termodinamicii. A doua lege a termodinamicii explică ce procese pot avea loc în univers și ce procese nu. Un om de știință pe nume R.J.E. Clausius (1822–1888) a făcut următoarea afirmație:
Căldura se deplasează singură de la un obiect cu temperatură ridicată la un obiect cu temperatură scăzută; căldura nu se va deplasa singură de la un obiect cu temperatură scăzută la un obiect cu temperatură ridicată (a doua lege a termodinamicii – enunțul lui Clausius).
Enunțul lui Clausius este o afirmație specială a celei de-a doua legi a termodinamicii. Se numește afirmație specială deoarece se aplică doar unui singur proces, și anume transferul de căldură. Deoarece această afirmație nu se referă la alte procese, avem nevoie de o afirmație mai generală. Dezvoltarea afirmației generale a celei de-a doua legi a termodinamicii s-a bazat parțial pe studiul motoarelor termice. Prin urmare, vom discuta mai întâi despre motoarele termice.
MOTOR TERMIC
O mare parte din energia pe care o folosim provine din energia potențială chimică conținută în petrol, gaze și cărbune. Energia potențială chimică conținută în petrol, gaze sau cărbune nu poate fi utilizată direct. Petrolul, gazele sau cărbunele trebuie arse mai întâi. De obicei, arderea combustibililor fosili (petrol, gaze și cărbune) produce căldură. Căldura poate fi utilizată direct pentru a găti alimente și a încălzi o cameră. Pentru a mișca ceva (de exemplu, pentru a mișca un vehicul), trebuie să convertim căldura în energie cinetică sau energie mecanică (energie mecanică = energie potențială + energie cinetică). Conversia energiei mecanice în căldură este o sarcină foarte ușoară, dar conversia căldurii în energie mecanică este dificilă. Încercați să vă frecați palmele... palmele voastre sunt fierbinți, nu-i așa? Când ne frecăm palmele (facem lucru mecanic), energia mecanică este convertită în căldură. Procesul este foarte ușor... Chiar și căldură infinită poate fi produsă prin efectuarea unui lucru mecanic. Dar procesul invers, și anume utilizarea căldurii pentru a efectua lucru mecanic, este dificil.
Un dispozitiv folosit pentru a valorifica căldura pentru a efectua un lucru mecanic a fost inventat abia în 1700. Dispozitivul în cauză era motorul cu aburi. Motoarele cu aburi au fost folosite pentru prima dată pentru a pompa apa din minele de cărbune. Este important de menționat că prima utilizare a motoarelor cu aburi a avut loc înainte ca oamenii de știință să știe că, de fapt, căldura este energie transferată datorită diferențelor de temperatură (prima lege a termodinamicii nu fusese încă formulată).
Utilizarea motoarelor cu abur la acea vreme se baza probabil pe experiența cotidiană care demonstra că aburul putea mișca obiecte. Motoarele cu abur sunt considerate motoare termice (un motor termic = un dispozitiv pentru transformarea căldurii în energie mecanică). Astăzi, motoarele cu abur sunt folosite pentru a genera energie electrică. Motoarele termice moderne sunt motoare cu ardere internă (motoare de mașini, motoare de motociclete etc.).
Ideea de bază din spatele utilizării unui motor termic este că, în energie mecanică, căldura poate fi transformată numai dacă i se permite să circule dintr-o regiune cu temperatură ridicată într-o regiune cu temperatură scăzută. În timpul acestui proces, o parte din căldură este transformată în energie mecanică (o parte din căldură este utilizată pentru a efectua lucru mecanic), în timp ce o parte din căldură este eliberată în regiunea cu temperatură scăzută. Procesul de conversie a energiei și transfer de energie într-un motor termic este prezentat în diagramă.
Temperatură ridicată (TH) și temperatură scăzută (TL) se numește și temperatura de funcționare a motorului. Căldura care curge dintr-un loc cu temperatură ridicată este dată de simbolul QH, în timp ce căldura eliberată într-un loc cu temperatură scăzută este notată cu simbolul QL. Când curge dintr-un loc cu temperatură ridicată într-un loc cu temperatură scăzută, un anumit QH transformată în energie mecanică (folosită pentru efectuarea unui lucru mecanic), o parte din aceasta fiind eliberată sub formă de QLDe fapt, sperăm cu adevărat că toți QH poate fi convertit în W, dar experiența cotidiană arată că acest lucru este imposibil. Există întotdeauna o pierdere de căldură. Astfel, pe baza conservării energiei, se poate concluziona că QH = W + QL.
Acum să analizăm un motor termic utilizat în mod obișnuit pentru a converti căldura în energie mecanică. Este important de menționat că luăm în considerare doar motoarele termice care efectuează un lucru mecanic continuu. Pentru ca lucrul mecanic să fie efectuat continuu, căldura trebuie să circule continuu dintr-o regiune cu temperatură ridicată într-o regiune cu temperatură scăzută. Dacă căldura circulă o singură dată, lucrul mecanic efectuat de motorul termic va fi, de asemenea, efectuat o singură dată (energia mecanică produsă va fi foarte mică). Prin urmare, motorul termic nu poate fi utilizat optim. Un motor termic poate fi utilizat optim dacă efectuează un lucru mecanic continuu. Cu alte cuvinte, energia mecanică produsă de motorul termic este suficientă pentru a fi utilizată pentru a mișca ceva.
Motor cu aburi
Motoarele cu abur utilizează vaporii de apă ca mediu de transfer termic. Aburul este considerat substanța de lucru a unei motoare cu abur. Există două tipuri de motoare cu abur: motoare cu abur cu piston și motoare cu abur cu turbină (turbine cu abur). Designul lor diferă ușor, dar ambele tipuri au asemănări: utilizează abur încălzit prin arderea petrolului, gazelor, cărbunelui sau energiei nucleare.
Motor cu abur de tip alternativ
Apa dintr-un recipient este de obicei încălzită la presiune ridicată. Deoarece este încălzită la presiune ridicată, procesul de fierbere are loc la o temperatură ridicată. Temperatura este direct proporțională cu presiunea. Cu cât temperatura aburului este mai mare, cu atât presiunea de vapori este mai mare. Acest abur de temperatură înaltă sau de înaltă presiune se deplasează prin supapa de admisie și se extinde împotriva pistonului. Pe măsură ce se extinde, aburul împinge pistonul, determinându-l să se deplaseze spre dreapta.
O parte din căldura din abur este transformată în energie cinetică. Când pistonul se mișcă spre dreapta, roata conectată la piston se rotește (1). După o jumătate de rotație, roata împinge pistonul înapoi în poziția inițială (2). Când pistonul se mișcă spre stânga, supapa de admisie se închide automat, în timp ce supapa de evacuare se deschide automat. Aburul este condensat de condensator, transformându-se în rouă. Apoi, apa din condensator este pompată înapoi în recipient pentru a fi fiartă din nou. Și așa mai departe… Deoarece procesul are loc în mod repetat, pistonul se mișcă continuu spre dreapta și spre stânga. Deoarece pistonul se mișcă continuu spre dreapta și spre stânga, și roata se rotește continuu. Rotația roții este de obicei folosită pentru a mișca ceva.
Turbină cu abur
Principiul de funcționare al unei turbine cu abur este în esență același cu cel al unui motor cu abur cu piston. Diferența constă în faptul că un motor cu abur cu piston folosește un piston, în timp ce o turbină cu abur folosește o turbină. Într-un motor cu abur cu piston, căldura este mai întâi convertită în energie cinetică de translație a pistonului. După aceea, energia cinetică de translație a pistonului este convertită în energie cinetică de rotație a roții în rotație. Într-o turbină cu abur, căldura este convertită direct în energie cinetică de rotație a turbinei. Turbina se poate roti datorită unei diferențe de presiune. Temperatura aburului de deasupra palei este mult mai mare decât temperatura aburului de sub pale. Palea este o placă subțire situată în centrul turbinei. Temperatura este direct proporțională cu presiunea. Deoarece temperatura aburului de deasupra palei este mai mare decât temperatura aburului de sub pale, presiunea aburului de deasupra palei este mai mare decât presiunea de sub pale. Această diferență de presiune face ca aburul să împingă palea în jos, provocând rotirea turbinei. Direcția de rotație a turbinei este prezentată în figură.
Este important de menționat că principiul de funcționare al unui motor cu aburi se bazează pe diagrama de transfer de energie explicată mai sus. În acest caz, energia mecanică poate fi generată permițând căldurii să curgă de la un obiect sau o locație cu temperatură ridicată la un obiect sau o locație cu temperatură scăzută. Prin urmare, o diferență de temperatură este esențială într-un motor cu aburi.
Dacă acordați atenție modului în care funcționează un motor cu abur cu piston, veți observa că pistonul se poate mișca la stânga și la dreapta, chiar dacă nu există nicio diferență de temperatură (nu există condensator sau pompă). Pistonul se poate mișca la dreapta datorită expansiunii aburului la temperatură înaltă sau la presiune înaltă. În acest caz, o parte din căldura din abur este transformată în energie cinetică de translație a pistonului. Această energie cinetică de translație a pistonului se transformă apoi în energie cinetică de rotație a roții care se rotește. După ce execută o jumătate de rotație, roata împinge pistonul înapoi spre stânga. Când roata împinge pistonul înapoi spre stânga, energia cinetică de rotație a roții este transformată din nou în energie cinetică de translație a pistonului. Pe măsură ce pistonul se mișcă spre stânga, acesta împinge aburul din cilindru. În același timp, se deschide supapa de evacuare.
Astfel, aburul împins de piston își va împinge prietenul sub supapa de evacuare. Acum, dacă temperatura aburului de sub supapa de evacuare este egală cu temperatura aburului împins de piston, atunci toată energia cinetică de translație a pistonului va fi convertită înapoi în energia internă a aburului. Energia internă este direct proporțională cu temperatura. Dacă energia internă a aburului crește, temperatura aburului crește. Temperatura este direct proporțională cu presiunea. Dacă temperatura aburului crește, presiunea aburului crește și ea. Astfel, presiunea aburului eliberat prin supapa de evacuare este egală cu presiunea aburului care intră prin supapa de admisie. Pistonul va continua să se miște continuu la dreapta și la stânga, dar nu va exista energie cinetică totală care să poată fi utilizată (nu se produce lucru mecanic total). Deci, energia cinetică primită de piston în timpul procesului de expansiune (pistonul se mișcă spre dreapta) va fi returnată aburului în timpul procesului de compresie (pistonul se mișcă spre stânga).
Se concluzionează că o diferență de temperatură într-un motor cu aburi este încă necesară. Această diferență de temperatură într-un motor cu aburi poate fi obținută prin utilizarea unui condensator. Când temperatura și presiunea aburului sub supapa de evacuare sunt mult mai mici decât temperatura și presiunea aburului din cilindru, atunci când pistonul se mișcă înapoi spre stânga, presiunea pe care pistonul o exercită asupra aburului este mult mai mică decât presiunea pe care aburul o exercită asupra pistonului atunci când pistonul se mișcă spre dreapta. Cu alte cuvinte, lucrul mecanic pe care pistonul îl face asupra aburului este mult mai mic decât lucrul mecanic pe care aburul îl face asupra pistonului. Deci, doar o mică parte din energia cinetică a pistonului este returnată aburului. Astfel, va exista energie cinetică totală sau lucrul mecanic total produs. Această energie cinetică totală este utilizată pentru a mișca ceva.
Motor cu ardere internă
Motoarele de motociclete și mașini sunt exemple de motoare cu ardere internă. Acestea sunt numite motoare cu ardere internă deoarece procesul de ardere are loc în interiorul unui cilindru închis. Motoarele cu ardere internă sunt rezultatul ingineriei conceptului de compresie și expansiune adiabatică, explicat în prima lege a termodinamicii.
Vom lua în considerare doar motoarele cu ardere internă care utilizează benzină și motorină drept combustibil. Benzina și motorina sunt produse petroliere și, prin urmare, posedă energie potențială chimică. Energia potențială chimică din benzină și motorină este mai întâi convertită în căldură prin procesul de ardere. Căldura produsă prin ardere este apoi convertită în energie mecanică. Această energie mecanică este cea care permite unei motociclete sau unei mașini să se miște. Ciclul dintr-un motor pe benzină se numește ciclul Otto, în timp ce ciclul dintr-un motor diesel se numește ciclul diesel. Un ciclu este un proces termodinamic reversibil. Să discutăm mai întâi despre ciclul Otto.
Ciclul Otto
Aceasta este o diagramă a unui motor cu ardere internă în patru timpi. Un amestec de aer și vapori de benzină curge din carburator în cilindru pe măsură ce pistonul se mișcă în jos (cursa de admisie). Amestecul de aer și vapori de benzină din cilindru este apoi comprimat adiabatic pe măsură ce pistonul se mișcă în sus (cursa de compresie). Deoarece este comprimat adiabatic, temperatura și presiunea amestecului cresc. Simultan, bujia aprinde amestecul, aprinzându-l. Pe măsură ce arde, temperatura și presiunea gazului cresc. Gazul la temperatură înaltă și presiune înaltă se extinde împotriva pistonului, împingându-l în jos (cursa de expansiune). Gazul ars este apoi eliberat prin supapa de evacuare și direcționat către țeava de evacuare (cursa de evacuare). Supapa de admisie se deschide din nou, iar cele patru timpi se repetă.
Este important de menționat că scopul cursei de compresie adiabatică este de a crește temperatura și presiunea amestecului de vapori aer-benzină. Arderea la presiune ridicată produce temperaturi și presiuni foarte ridicate. În consecință, forța de împingere (F = PA) generată în timpul procesului de expansiune este foarte mare. Acest lucru duce la creșterea puterii motorului unei motociclete sau a unei mașini. Chiar și fără compresie, amestecul de vapori aer-benzină se poate aprinde atunci când bujia produce o scânteie. Cu toate acestea, temperatura și presiunea gazului ars nu sunt foarte mari, deci forța de împingere rezultată este, de asemenea, mică. Drept urmare, motorul devine mai puțin puternic.
Procesul de transformare a energiei și transfer de energie într-un motor cu ardere internă în patru timpi poate fi explicat după cum urmează: În timpul arderii, energia potențială chimică din benzină și energia din aer sunt convertite în căldură. O parte din căldură este convertită în energie mecanică în tija pistonului și arborele cotit, în timp ce o parte este eliberată prin țeava de eșapament. Cea mai mare parte a energiei mecanice din tija pistonului și arborele cotit este convertită în energie mecanică în vehicul (care deplasează vehiculul), în timp ce o mică parte este convertită în căldură. Căldura este generată prin frecare.
Procesul de expansiune și compresie adiabatică din ciclul Otto poate fi ilustrat prin diagrama de mai jos. Această diagramă prezintă un model idealizat al proceselor termodinamice care au loc într-un motor cu ardere internă pe benzină.
Un amestec de aer și vapori de benzină intră în cilindru (a). Amestecul de aer și vapori de benzină este apoi comprimat adiabatic (a-b). Rețineți că volumul cilindrului scade. Amestecul de aer și vapori de benzină este încălzit la volum constant – amestecul este ars (b-c). Gazul ars suferă o expansiune adiabatică (c-d). Răcire la volum constant – gazul ars este evacuat în țeava de eșapament și un nou amestec de aer + vapori de benzină intră în cilindru (d-a).
Un amestec de aer și vapori de benzină intră în cilindru (a). Amestecul de aer și vapori de benzină este apoi comprimat adiabatic (a-b). Rețineți că volumul cilindrului scade. Amestecul de aer și vapori de benzină este încălzit la volum constant – amestecul este ars (b-c). Gazul ars suferă o expansiune adiabatică (c-d). Răcire la volum constant – gazul ars este evacuat în țeava de eșapament și un nou amestec de aer + vapori de benzină intră în cilindru (d-a).
Ciclu diesel
Principiul de funcționare al unui motor diesel este similar cu cel al unui motor pe benzină. Diferența constă în etapa inițială de compresie adiabatică (compresie adiabatică = compresie care se face atât de repede încât căldura nu are timp să circule în sau din sistem. Sistemul în acest caz este un cilindru). În timp ce într-un motor pe benzină, ceea ce este comprimat este un amestec de aer și vapori de benzină, într-un motor diesel doar aerul este comprimat. Compresia adiabatică determină creșterea temperaturii și a presiunii aerului. Apoi, injectorul, alias injectorul, pulverizează motorină. Deoarece temperatura și presiunea aerului sunt deja foarte mari, atunci când motorina este pulverizată în cilindru, motorina se aprinde imediat. Nu este nevoie de bujie. Rețineți valoarea presiunii prezentată în diagrama de mai jos. Comparați -o cu valoarea presiunii prezentată în diagrama ciclului Otto.
Această diagramă prezintă un ciclu diesel ideal. Inițial, aerul este comprimat adiabatic (a-b), apoi încălzit la presiune constantă – injectorul pulverizează motorină și are loc arderea (b-c), gazul ars suferă o expansiune adiabatică (c-d), se răcește la volum constant – gazul ars este expulzat prin țeava de eșapament și aerul proaspăt intră în cilindru (d-a).
Pe baza explicației de mai sus, se poate concluziona că fiecare motor termic are practic o substanță de lucru specifică. Substanța de lucru pentru un motor cu aburi este apa, substanța de lucru pentru un motor pe benzină sunt aerul și vaporii de benzină, iar substanța de lucru pentru un motor diesel sunt aerul și motorina. Substanța de lucru absoarbe de obicei căldura la o temperatură ridicată (Q H ), efectuează lucru mecanic (W ), apoi eliberează căldura rămasă la o temperatură mai scăzută (Q L ). Deoarece energia se conservă, atunci Q H = W + Q L.
Eficiența motorului termic
Randamentul (e) al unui motor termic este raportul dintre lucrul mecanic (W) efectuat de motor și aportul de căldură la temperatură ridicată (Q H ). Matematic, se poate scrie astfel:
W este profitul pe care îl primim, în timp ce QH este costul pe care îl suportăm pentru a achiziționa și arde combustibil. Ca oameni care doresc întotdeauna să obțină cel mai mare profit posibil și cea mai mică cheltuială posibilă, sperăm cu adevărat ca profitul pe care îl obținem (W) să fie proporțional cu costul pe care îl suportăm (QH). Este posibil acest lucru?
Pe baza principiului conservării energiei, căldura de intrare (Q H ) trebuie să fie egală cu lucrul mecanic (W) efectuat + căldura eliberată (Q L ). Matematic:
Pentru a exprima eficiența unui motor termic ca procent, pur și simplu înmulțiți ecuația eficienței cu 100%. Pe baza ecuației de eficiență de mai sus, cu cât un motor termic respinge mai multă căldură (QL), cu atât acesta este mai puțin eficient. Ne-ar plăcea foarte mult să avem cât mai puțină căldură respinsă (QL ) . Cu toate acestea, aportul de căldură (QH ) se obține de obicei prin arderea petrolului, cărbunelui, gazelor etc. (combustibili pentru care plătim).
Prin urmare, fiecare motor termic este, în esență, proiectat să fie cât mai eficient posibil. Deși dorim cel mai mare beneficiu posibil cu cele mai mici cheltuieli posibile, realitatea este că motoarele cu abur au de obicei o eficiență de aproximativ 40%, în timp ce motoarele cu ardere internă au aproximativ 50%. Aceasta înseamnă că jumătate din căldura produsă de arderea combustibilului este irosită. Doar jumătate este transformată în energie mecanică.
Exemplu de întrebare 1:
Un motor termic absoarbe 3000 de Jouli de căldură (Q H ), efectuează un lucru mecanic (W) și eliberează 2500 de Jouli de căldură (Q L ). Care este randamentul motorului termic?
Pembahasan
Exemplu de întrebare 2:
Un motor termic absoarbe 3000 de Jouli de căldură (Q H ), efectuează un lucru mecanic (W) și eliberează 2000 de Jouli de căldură (Q L ). Care este randamentul motorului termic?
Pembahasan
Exemplu de întrebare 3:
Un motor termic absoarbe 3000 de Jouli de căldură (Q H ), efectuează un lucru mecanic (W) și eliberează 1500 de Jouli de căldură (Q L ). Care este randamentul motorului termic?
Pembahasan
