Статья о втором законе термодинамики
Все природные процессы происходят только в одном направлении, но не могут происходить в обратном направлении, обычно называемом необратимыми процессами. После того, как манго отрывается от стебля и свободно падает на землю, оно никогда больше не поднимается. Книга, которую мы толкаем, а затем останавливаем, никогда не возвращается к нам. Если мы коснемся объекта с высокой температурой (горячего объекта) объектом с низкой температурой (холодного объекта), тепло естественным образом перетечет от объекта с высокой температурой к объекту с низкой температурой. Мы никогда не наблюдаем обратного процесса, когда тепло естественным образом переходит от холодного объекта к горячему. Если бы этот процесс происходил, то холодный объект стал бы холоднее, а горячий — горячее. Но в реальности все не так. Существует множество необратимых процессов, которые кажутся разными, но все они связаны с изменением формы энергии и передачей энергии от одного объекта к другому.
Например, происходит мощное землетрясение, которое приводит к обрушению зданий (здания обрушиваются из-за энергии, переносимой сейсмическими волнами). Вы когда-нибудь видели, чтобы каждая часть обрушившегося здания снова соединялась и стояла вертикально, как прежде? Или, например, стакан падает на пол и разбивается... Вы когда-нибудь видели, чтобы осколки стекла, разбросанные по полу, снова соединялись и образовывали целое стекло? Такого никогда не случалось... есть много других примеров.
Для объяснения термодинамических процессов, происходящих только в одном направлении (необратимых процессов), ученые сформулировали второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики объясняет, какие процессы могут происходить во Вселенной, а какие — нет. Один из ученых, Р. Дж. Э. Клаузиус (1822–1888), сделал следующее утверждение:
Тепло самопроизвольно перемещается от объекта с высокой температурой к объекту с низкой температурой; тепло самопроизвольно не перемещается от объекта с низкой температурой к объекту с высокой температурой (второй закон термодинамики – утверждение Клаузиуса).
Утверждение Клаузиуса — это частная формулировка второго закона термодинамики. Оно называется частной формулировкой, потому что применимо только к одному процессу, а именно к теплопередаче. Поскольку это утверждение не относится к другим процессам, нам нужна более общая формулировка. Разработка общей формулировки второго закона термодинамики частично основывалась на изучении тепловых двигателей. Поэтому сначала мы рассмотрим тепловые двигатели.
ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
Большая часть потребляемой нами энергии поступает из химической потенциальной энергии, содержащейся в нефти, газе и угле. Химическая потенциальная энергия, содержащаяся в нефти, газе или угле, не может быть использована напрямую. Нефть, газ или уголь должны быть сначала сожжены. Как правило, сжигание ископаемого топлива (нефти, газа и угля) производит тепло. Тепло можно использовать непосредственно для приготовления пищи и обогрева помещения. Чтобы переместить что-либо (например, транспортное средство), мы должны преобразовать тепло в кинетическую или механическую энергию (механическая энергия = потенциальная энергия + кинетическая энергия). Преобразование механической энергии в тепло — очень простая задача, но преобразование тепла в механическую энергию — сложная. Попробуйте потереть ладони друг о друга… ваши ладони горячие, верно? Когда мы трем ладони друг о друга (мы совершаем работу), механическая энергия преобразуется в тепло. Процесс очень прост… Даже бесконечное количество тепла может быть произведено путем совершения работы. Но обратный процесс, а именно использование тепла для совершения работы, сложен.
Устройство, позволяющее использовать тепло для совершения работы, было изобретено лишь в 1700 году. Речь идёт о паровом двигателе. Паровые двигатели первоначально использовались для откачки воды из угольных шахт. Важно отметить, что первое применение паровых двигателей произошло до того, как учёные узнали, что тепло — это энергия, передаваемая за счёт разницы температур (первый закон термодинамики ещё не был сформулирован).
Использование паровых двигателей в то время, вероятно, основывалось на повседневном опыте, показывающем, что пар может приводить предметы в движение. Паровые двигатели считаются тепловыми двигателями (тепловой двигатель = устройство для преобразования тепла в механическую энергию). Сегодня паровые двигатели используются для выработки электроэнергии. Современные тепловые двигатели — это двигатели внутреннего сгорания (автомобильные двигатели, мотоциклетные двигатели и т. д.).
Основная идея использования теплового двигателя заключается в том, что тепло может быть преобразовано в механическую энергию только в том случае, если ему позволено перетекать из области с высокой температурой в область с низкой температурой. В ходе этого процесса часть тепла преобразуется в механическую энергию (часть тепла используется для совершения работы), а часть тепла отводится в область с низкой температурой. Процесс преобразования и передачи энергии в тепловом двигателе показан на диаграмме.
Высокая температура (Т)H) и низкой температуры (Т)L) также называется рабочей температурой двигателя. Тепло, исходящее из места с высокой температурой, обозначается символом Q.HПри этом тепло, выделяемое в место с низкой температурой, обозначается символом Q.L. При движении потока из места с высокой температурой в место с низкой температурой возникает некоторое значение Q.H Преобразуется в механическую энергию (используется для совершения работы), часть которой высвобождается в виде Q.LНа самом деле мы очень надеемся, что все QH Можно преобразовать в Вт, но повседневный опыт показывает, что это невозможно. Всегда происходит некоторая потеря тепла. Таким образом, исходя из закона сохранения энергии, можно заключить, что QH = В + КL.
Теперь рассмотрим тепловой двигатель, обычно используемый для преобразования тепла в механическую энергию. Важно отметить, что мы рассматриваем только тепловые двигатели, совершающие непрерывную работу. Для непрерывного совершения работы необходимо, чтобы тепло непрерывно перетекало из области с высокой температурой в область с низкой температурой. Если тепло перетекает только один раз, работа, совершаемая тепловым двигателем, также будет совершена только один раз (производимая механическая энергия будет очень мала). Следовательно, тепловой двигатель не может быть использован оптимально. Тепловой двигатель может быть использован оптимально, если он совершает работу непрерывно. Другими словами, механической энергии, производимой тепловым двигателем, достаточно для перемещения чего-либо.
Паровой двигатель
Паровые двигатели используют водяной пар в качестве теплоносителя. Пар называется рабочим веществом парового двигателя. Существует два типа паровых двигателей: поршневые паровые двигатели и турбинные паровые двигатели (паровые турбины). Их конструкция несколько отличается, но оба типа имеют сходства: они используют пар, нагретый за счет сжигания нефти, газа, угля или ядерной энергии.
Паровая машина поршневого типа
Вода в сосуде обычно нагревается под высоким давлением. Поскольку она нагревается под высоким давлением, процесс кипения происходит при высокой температуре. Температура прямо пропорциональна давлению. Чем выше температура пара, тем больше давление пара. Этот высокотемпературный или высоконапорный пар проходит через впускной клапан и расширяется, толкая поршень. При расширении пар толкает поршень, заставляя его двигаться вправо.
Часть тепла пара преобразуется в кинетическую энергию. Когда поршень движется вправо, колесо, соединенное с поршнем, вращается (1). После половины оборота колесо возвращает поршень в исходное положение (2). Когда поршень движется влево, впускной клапан автоматически закрывается, а выпускной клапан автоматически открывается. Пар конденсируется в конденсаторе, превращаясь в росу. Затем вода из конденсатора закачивается обратно в емкость для повторного кипячения. И так далее… Поскольку процесс повторяется, поршень непрерывно движется вправо и влево. Поскольку поршень непрерывно движется вправо и влево, колесо также непрерывно вращается. Вращение колеса обычно используется для перемещения чего-либо.
Паровая турбина
Принцип работы паровой турбины в основном тот же, что и у поршневого парового двигателя. Разница заключается в том, что в поршневом паровом двигателе используется поршень, а в паровой турбине — турбина. В поршневом паровом двигателе тепло сначала преобразуется в поступательную кинетическую энергию поршня. После этого поступательная кинетическая энергия поршня преобразуется в вращательную кинетическую энергию вращающегося колеса. В паровой турбине тепло непосредственно преобразуется во вращательную кинетическую энергию турбины. Турбина может вращаться за счет разницы давлений. Температура пара над лопаткой значительно выше, чем температура пара под лопаткой. Лопатка представляет собой тонкую пластину, расположенную в центре турбины. Температура прямо пропорциональна давлению. Поскольку температура пара над лопаткой выше, чем температура пара под лопаткой, давление пара над лопаткой больше, чем давление под лопаткой. Эта разница давлений заставляет пар толкать лопатку вниз, заставляя турбину вращаться. Направление вращения турбины показано на рисунке.
Важно отметить, что принцип работы парового двигателя основан на приведенной выше схеме передачи энергии. В этом случае механическая энергия генерируется за счет переноса тепла от объекта или места с высокой температурой к объекту или месту с низкой температурой. Следовательно, разница температур необходима в паровом двигателе.
Если вы внимательно изучите принцип работы поршневого парового двигателя, вы заметите, что поршень может двигаться влево и вправо, даже при отсутствии разницы температур (нет конденсатора или насоса). Поршень может двигаться вправо из-за расширения пара высокой температуры или давления. В этом случае часть тепла пара преобразуется в поступательную кинетическую энергию поршня. Эта поступательная кинетическая энергия поршня затем преобразуется в вращательную кинетическую энергию вращающегося колеса. После совершения половины оборота колесо толкает поршень обратно влево. Когда колесо толкает поршень обратно влево, вращательная кинетическая энергия колеса снова преобразуется в поступательную кинетическую энергию поршня. По мере движения поршня влево он выталкивает пар из цилиндра. Одновременно открывается выпускной клапан.
Таким образом, пар, выталкиваемый поршнем, будет толкать своего «друга» под выпускным клапаном. Теперь, если температура пара под выпускным клапаном равна температуре пара, выталкиваемого поршнем, то вся поступательная кинетическая энергия поршня преобразуется обратно во внутреннюю энергию пара. Внутренняя энергия прямо пропорциональна температуре. Если внутренняя энергия пара увеличивается, температура пара увеличивается. Температура прямо пропорциональна давлению. Если температура пара увеличивается, давление пара также увеличивается. Таким образом, давление пара, выпускаемого через выпускной клапан, равно давлению пара, поступающего через впускной клапан. Поршень будет продолжать непрерывно двигаться вправо и влево, но при этом не будет полной кинетической энергии, которую можно было бы использовать (полная работа не будет произведена). Поэтому кинетическая энергия, полученная поршнем в процессе расширения (поршень движется вправо), будет возвращена пару в процессе сжатия (поршень движется влево).
Сделан вывод, что в паровом двигателе по-прежнему необходима разница температур. Эта разница температур в паровом двигателе может быть достигнута с помощью конденсатора. Когда температура и давление пара под выпускным клапаном значительно ниже температуры и давления пара в цилиндре, то при движении поршня влево величина давления, которое поршень оказывает на пар, значительно меньше величины давления, которое пар оказывает на поршень при движении поршня вправо. Другими словами, величина работы, совершаемой поршнем над паром, значительно меньше величины работы, совершаемой паром над поршнем. Таким образом, лишь небольшая часть кинетической энергии поршня возвращается пару. Следовательно, будет произведена полная кинетическая энергия или полная работа. Эта полная кинетическая энергия используется для перемещения чего-либо.
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатели мотоциклов и автомобилей являются примерами двигателей внутреннего сгорания. Они называются двигателями внутреннего сгорания, потому что процесс сгорания происходит внутри закрытого цилиндра. Двигатели внутреннего сгорания являются результатом применения инженерными решениями концепции адиабатического сжатия и расширения, изложенной в первом законе термодинамики.
Мы рассмотрим только двигатели внутреннего сгорания, использующие бензин и дизельное топливо. Бензин и дизельное топливо являются нефтепродуктами и, следовательно, обладают химической потенциальной энергией. Химическая потенциальная энергия бензина и дизельного топлива сначала преобразуется в тепло в процессе сгорания. Затем тепло, выделяемое при сгорании, преобразуется в механическую энергию. Именно эта механическая энергия позволяет мотоциклу или автомобилю двигаться. Цикл в бензиновом двигателе называется циклом Отто, а цикл в дизельном двигателе — циклом Дизеля. Цикл — это обратимый термодинамический процесс. Давайте сначала обсудим цикл Отто.
Цикл Отто
Это схема четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Смесь воздуха и паров бензина поступает из карбюратора в цилиндр по мере движения поршня вниз (такт впуска). Затем смесь воздуха и паров бензина в цилиндре адиабатически сжимается по мере движения поршня вверх (такт сжатия). Поскольку сжатие происходит адиабатически, температура и давление смеси повышаются. Одновременно свеча зажигания воспламеняет смесь. В процессе сгорания температура и давление газа увеличиваются. Газ с высокой температурой и давлением расширяется, толкая поршень вниз (такт расширения). Затем сгоревший газ выпускается через выпускной клапан и направляется к выхлопной трубе (такт выпуска). Впускной клапан снова открывается, и четыре такта повторяются.
Важно отметить, что целью адиабатического такта сжатия является повышение температуры и давления воздушно-бензиновой паровой смеси. Сгорание при высоком давлении приводит к очень высоким температурам и давлениям. Следовательно, создаваемая в процессе расширения тяга (F = PA) очень велика. Это приводит к увеличению мощности двигателя мотоцикла или автомобиля. Даже без сжатия воздушно-бензиновая паровая смесь может воспламениться, когда свеча зажигания создаст искру. Однако температура и давление сгоревших газов не очень высоки, поэтому результирующая тяга также мала. В результате мощность двигателя снижается.
Процесс преобразования и передачи энергии в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания можно объяснить следующим образом: во время сгорания химическая потенциальная энергия бензина и энергия воздуха преобразуются в тепло. Часть тепла преобразуется в механическую энергию в штоке поршня и коленчатом валу, а часть выводится через выхлопную трубу. Большая часть механической энергии в штоке поршня и коленчатом валу преобразуется в механическую энергию в транспортном средстве (приводя его в движение), а небольшая часть преобразуется в тепло. Тепло генерируется за счет трения.
Процесс адиабатического расширения и сжатия в цикле Отто можно проиллюстрировать диаграммой ниже. Эта диаграмма представляет собой идеализированную модель термодинамических процессов, происходящих в бензиновом двигателе внутреннего сгорания.
Смесь воздуха и паров бензина поступает в цилиндр (а). Затем смесь воздуха и паров бензина адиабатически сжимается (а-б). Обратите внимание, что объем цилиндра уменьшается. Смесь воздуха и паров бензина нагревается при постоянном объеме – смесь сгорает (б-в). Сгоревший газ подвергается адиабатическому расширению (в-г). Охлаждение при постоянном объеме – сгоревший газ выводится в выхлопную трубу, и в цилиндр поступает новая смесь воздуха + паров бензина (г-а).
Смесь воздуха и паров бензина поступает в цилиндр (а). Затем смесь воздуха и паров бензина адиабатически сжимается (а-б). Обратите внимание, что объем цилиндра уменьшается. Смесь воздуха и паров бензина нагревается при постоянном объеме – смесь сгорает (б-в). Сгоревший газ подвергается адиабатическому расширению (в-г). Охлаждение при постоянном объеме – сгоревший газ выводится в выхлопную трубу, и в цилиндр поступает новая смесь воздуха + паров бензина (г-а).
Дизельный цикл
Принцип работы дизельного двигателя аналогичен принципу работы бензинового двигателя. Разница заключается в начальном этапе адиабатического сжатия (адиабатическое сжатие — это сжатие, происходящее настолько быстро, что тепло не успевает поступить в систему или выйти из нее. В данном случае системой является цилиндр). В то время как в бензиновом двигателе сжимается смесь воздуха и паров бензина, в дизельном двигателе сжимается только воздух. Адиабатическое сжатие приводит к повышению температуры и давления воздуха. Затем форсунка распыляет дизельное топливо. Поскольку температура и давление воздуха уже очень высоки, при впрыскивании дизельного топлива в цилиндр оно немедленно воспламеняется. Свеча зажигания не требуется. Обратите внимание на значение давления, показанное на диаграмме ниже. Сравните его со значением давления, показанным на диаграмме цикла Отто.
На этой диаграмме показан идеальный дизельный цикл. Первоначально воздух адиабатически сжимается (a-b), затем нагревается при постоянном давлении – форсунка распыляет дизельное топливо, и происходит сгорание (b-c), отработанный газ подвергается адиабатическому расширению (c-d), охлаждается при постоянном объеме – отработанный газ выбрасывается через выхлопную трубу, и свежий воздух поступает в цилиндр (d-a).
Исходя из приведенного выше объяснения, можно заключить, что каждый тепловой двигатель, по сути, имеет определенное рабочее вещество. Рабочим веществом для парового двигателя является вода, рабочим веществом для бензинового двигателя — воздух и пары бензина, рабочим веществом для дизельного двигателя — воздух и дизельное топливо. Рабочее вещество обычно поглощает тепло при высокой температуре (Q H ), совершает работу (W), а затем выделяет оставшееся тепло при более низкой температуре (Q L ). Поскольку энергия сохраняется, то Q H = W + Q L.
КПД теплового двигателя
КПД (e) теплового двигателя — это отношение работы (W), совершаемой двигателем, к подводимому теплу при высокой температуре (Q H ). Математически это можно записать следующим образом:
W — это получаемая нами прибыль, а QH — это затраты на покупку и сжигание топлива. Как люди, всегда стремящиеся получить максимально возможную прибыль и минимизировать затраты, мы очень надеемся, что получаемая нами прибыль (W) будет соизмерима с нашими затратами (QH). Возможно ли это?
Исходя из закона сохранения энергии, подводимое тепло (Q H ) должно быть равно работе (W), совершённой + выделенному теплу (Q L ). Математически:
Чтобы выразить КПД теплового двигателя в процентах, достаточно умножить уравнение КПД на 100%. Исходя из приведенного выше уравнения КПД, чем больше тепла отводит тепловой двигатель (Q L ), тем ниже его КПД. Нам бы очень хотелось, чтобы отводилось как можно меньше тепла (Q L ). Однако тепловая энергия (Q H ) обычно поступает от сжигания нефти, угля, газа и т. д. (топлива, за которое мы платим).
Таким образом, каждый тепловой двигатель, по сути, спроектирован так, чтобы быть максимально эффективным. Хотя мы стремимся получить максимальную выгоду при минимальных затратах, в реальности эффективность паровых двигателей обычно составляет около 40%, а двигателей внутреннего сгорания — около 50%. Это означает, что половина тепла, выделяемого при сжигании топлива, теряется. Только половина преобразуется в механическую энергию.
Пример вопроса 1:
Тепловой двигатель поглощает 3000 Джоулей тепла (Q H ), совершает работу (W) и выделяет 2500 Джоулей тепла (Q L ). Каков КПД теплового двигателя?
Обсуждение
Пример вопроса 2:
Тепловой двигатель поглощает 3000 Джоулей тепла (Q H ), совершает работу (W) и выделяет 2000 Джоулей тепла (Q L ). Каков КПД теплового двигателя?
Обсуждение
Пример вопроса 3:
Тепловой двигатель поглощает 3000 Джоулей тепла (Q H ), совершает работу (W) и выделяет 1500 Джоулей тепла (Q L ). Каков КПД теплового двигателя?
Обсуждение
