Pentru a explica procesele termodinamice 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 pot avea loc. Un om de știință pe nume R. J. E. Clausius (1822-1888) a făcut următoarea afirmație:
În mod natural, căldura se deplasează de la obiectele cu temperatură ridicată la obiectele cu temperatură scăzută; în mod natural, căldura nu se deplasează de la obiectele cu temperatură scăzută la obiectele cu temperatură ridicată (a doua lege a termodinamicii - afirmația lui Clausius).
Afirmația lui Clausius este una dintre afirmațiile speciale ale celei de-a doua legi a termodinamicii. Se numește afirmație specială deoarece se aplică unui singur proces, legat de transferul de căldură. Deoarece această afirmație nu este legată de alte procese, avem nevoie de o afirmație mai generală. Dezvoltarea unei afirmații generale a celei de-a doua legi a termodinamicii se bazează pe studiul motoarelor termice. Prin urmare, vom discuta mai întâi despre căldura motorului.
Motor termic
O mare parte din energia pe care o folosim provine din energia potențială chimică conținută în petrol, gaze, cărbune. Energia potențială chimică aplicată pentru a fi utilizată direct trebuie arsă mai întâi. De obicei, arderea combustibililor fosili (petrol, gaze și cărbune) produce căldură. Căldura poate fi utilizată direct pentru a găti alimente, a încălzi camera. Pentru a mișca ceva (cum ar fi mișcarea unui vehicul), trebuie să transformăm căldura în energie cinetică sau energie mecanică (energie mecanică = energie potențială + energie cinetică).
O unealtă care folosește căldura pentru a efectua un lucru mecanic a fost descoperită în 1700. Era o mașină cu aburi. Motorul cu aburi a fost folosit pentru prima dată pentru a pompa apa dintr-o mină de cărbune.
Utilizarea motoarelor cu abur se datorează faptului că aburul poate mișca obiecte. Motoarele cu abur includ un motor termic (un motor termic este un instrument pentru convertirea căldurii în energie mecanică). Acum, motorul cu abur este folosit pentru a genera energie electrică. Motoarele termice moderne sunt motoare cu ardere internă, cum ar fi motoarele de mașini, motoarele de motociclete etc.
Ideea de bază din spatele utilizării motoarelor termice este că încălzirea poate fi transformată în energie mecanică dacă se permite căldurii să circule de la temperaturi ridicate la temperaturi scăzute. În timpul acestui proces, o parte din căldură este transformată în energie mecanică (o parte din căldură este utilizată pentru a efectua lucrul mecanic), o parte din căldură este eliberată în locuri cu temperatură scăzută. Procesul de schimbare a formei energiei și transfer de energie în motorul termic arată ca în această diagramă.
Temperatură ridicată (TH) și temperatură scăzută (TL) se numesc temperatură de funcționare a mașinii. QH este căldura care curge de la temperatura înaltă, în timp ce QL este căldura care curge către un loc cu temperatură scăzută. Când curge de la temperaturi ridicate la temperaturi scăzute, o parte din căldură este transformată în energie mecanică (folosită pentru lucru), o parte din căldură este eliminată ca QLNu toată căldura poate fi transformată în lucru mecanic (W), există întotdeauna căldură eliberată (Q).L). Astfel, pe baza conservării energiei, QH = W + QL.
Există mai multe motoare termice, inclusiv motoare cu abur și motoare cu ardere internă.
Motor cu aburi
Motoarele cu abur utilizează vaporii de apă ca mediu de transfer termic. Aburul este fluid de lucru. Există două tipuri de motoare cu abur: motoare cu abur alternante și motoare cu abur cu turbină. Designul acestui motor este diferit, dar aceste două tipuri de motoare cu abur utilizează abur care este încălzit prin arderea petrolului, gazelor, cărbunelui sau prin utilizarea energiei nucleare.
Motoare de combustie internă
Motoarele de motociclete și motoarele de mașini sunt exemple de motoare cu ardere internă. Sunt numite motoare cu ardere internă deoarece procesul de ardere are loc în interiorul cilindrilor închiși. Prezența unui motor cu ardere internă este rezultatul conceptului ingineresc de compresie și expansiune adiabatică.
Eficiența motorului termic
Randamentul motorului termic (e) este o comparație între lucrul mecanic (W) efectuat de mașină cu un aport de căldură la temperatură ridicată (QH ).
W este câștigul obținut, în timp ce Q H este costul suportat pentru cumpărarea și arderea combustibilului. Ca ființe umane care doresc întotdeauna să obțină profit maxim și cheltuieli cât mai mici, sperăm ca creșterea profitului (W) să fie proporțională cu costul pe care îl cheltuim (Q H ). Se poate întâmpla acest lucru?
Pe baza conservării energiei, căldura (Q H ) trebuie să fie egală cu lucrul mecanic (W) + căldura degajată (Q L ).
Înlocuiți W în ecuația 1 cu W în ecuația 2
Aceasta este ecuația randamentului motorului termic.
Întrebare 1:
Un motor termic absoarbe 3000 Jouli (Q H ) de căldură, efectuează lucru mecanic (W) și elimină 2500 Jouli (Q L ) de căldură. Calculați randamentul termic al motorului.
Soluţie
Randamentul motorului termic = 17%.
Întrebare 2:
Un motor termic absoarbe 3000 Joule de căldură (Q H ), efectuează un lucru mecanic (W) și elimină 2000 Joule de căldură (Q L ). Calculați randamentul motorului termic.
Soluţie
Randamentul motorului termic = 34%.
Întrebare 3:
Un motor termic absoarbe 3000 Jouli de căldură (Q H ), efectuează lucru mecanic (W) și eliberează până la 1500 Jouli de căldură (Q L ). Calculați randamentul unui motor termic?
Soluţie
Randamentul motorului termic = 50%.
