Для объяснения необратимых термодинамических процессов учёные сформулировали второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики объясняет, какие процессы могут происходить во Вселенной, а какие — нет. Один из учёных, Р. Дж. Э. Клаузиус (1822–1888), сделал следующее утверждение:
Естественно, тепло передается от объектов с высокой температурой к объектам с низкой температурой; естественно, тепло не передается от объектов с низкой температурой к объектам с высокой температурой (второй закон термодинамики — утверждение Клаузиуса).
Утверждение Клаузиуса — одно из частных утверждений второго закона термодинамики. Оно называется частным, потому что применимо только к одному процессу, связанному с теплопередачей. Поскольку это утверждение не относится к другим процессам, нам необходимо более общее утверждение. Разработка общего утверждения второго закона термодинамики основана на изучении тепловых двигателей. Поэтому сначала мы рассмотрим теплопередачу в двигателях.
Тепловой двигатель
Большая часть потребляемой нами энергии поступает из химической потенциальной энергии, содержащейся в нефти, газе и угле. Химическая потенциальная энергия, приложенная для непосредственного использования, должна быть сначала сожжена. Обычно сжигание ископаемого топлива (нефти, газа и угля) производит тепло. Тепло можно использовать непосредственно для приготовления пищи или обогрева помещения. Чтобы переместить что-либо (например, транспортное средство), необходимо преобразовать тепло в кинетическую или механическую энергию (механическая энергия = потенциальная энергия + кинетическая энергия).
Инструмент, использующий тепло для выполнения работы, был открыт в 1700 году. Это был паровой двигатель. Первоначально паровой двигатель использовался для откачки воды из угольной шахты.
Использование паровых двигателей обусловлено тем, что пар способен приводить предметы в движение. К паровым двигателям относятся тепловые двигатели (тепловые двигатели — это устройства, преобразующие тепло в механическую энергию). В настоящее время паровые двигатели используются для выработки электроэнергии. Современные тепловые двигатели — это двигатели внутреннего сгорания, такие как автомобильные двигатели, мотоциклетные двигатели и т. д.
Основная идея использования тепловых двигателей заключается в том, что тепло может быть преобразовано в механическую энергию, если тепло передается от высоких температур к низким. В ходе этого процесса часть тепла преобразуется в механическую энергию (часть тепла используется для совершения работы), а часть тепла отводится в местах с низкой температурой. Процесс изменения формы энергии и передачи энергии в тепловом двигателе выглядит следующим образом.
Высокая температура (Т)H) и низкой температуры (Т)L) называются рабочей температурой машины. QH Q — это тепло, выделяемое при высокой температуре, а Q — тепло, выделяемое при высокой температуре.L Тепловой поток направлен в область с низкой температурой. При переходе от высоких температур к низким часть тепла преобразуется в механическую энергию (используется для совершения работы), а часть тепла отводится в виде заряда Q.LНе всё тепло может быть преобразовано в работу (Вт), всегда выделяется тепло (Q).LТаким образом, исходя из закона сохранения энергии, QH = В + КL.
Существует несколько типов тепловых двигателей, включая паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания.
Паровая машина
Паровые двигатели используют водяной пар в качестве теплоносителя. Пар является рабочим телом. Существует два типа паровых двигателей: паровые двигатели переменного тока и турбинные паровые двигатели. Конструкция этих двигателей различна, но оба типа паровых двигателей используют пар, который нагревается путем сжигания нефти, газа, угля или с использованием ядерной энергии.
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатели мотоциклов и автомобилей являются примерами двигателей внутреннего сгорания. Они называются двигателями внутреннего сгорания, потому что процесс сгорания происходит внутри закрытых цилиндров. Наличие двигателя внутреннего сгорания обусловлено инженерной концепцией адиабатического сжатия и расширения.
КПД теплового двигателя
КПД теплового двигателя (e) представляет собой сравнение работы (W), выполняемой машиной, с подводимым теплом при высокой температуре (Q H ).
W — это полученная выгода, а QH — затраты на покупку и сжигание топлива. Как люди, всегда стремящиеся к максимальной прибыли при минимальных затратах, мы надеемся, что увеличение прибыли (W) будет пропорционально нашим расходам (QH ) . Возможно ли это?
Согласно закону сохранения энергии, теплота (Q H ) должна быть равна работе (W) + выделенной теплоте (Q L ).
Подставьте W в уравнение 1 вместо W в уравнение 2.
Это уравнение для расчета эффективности теплового двигателя.
Вопрос 1:
Тепловой двигатель поглощает 3000 Джоулей (Q H ) тепла, совершает работу (W) и отводит 2500 Джоулей (Q L ) тепла. Рассчитайте тепловой КПД двигателя.
Решение
КПД теплового двигателя = 17%.
Вопрос 2:
Тепловой двигатель поглощает 3000 джоулей тепла (Q H ), совершает работу (W) и отводит 2000 джоулей тепла (Q L ). Рассчитайте КПД теплового двигателя.
Решение
КПД теплового двигателя = 34%.
Вопрос 3:
Тепловой двигатель поглощает 3000 Джоулей тепла (Q H ), совершает работу (W) и выделяет до 1500 Джоулей тепла (Q L ). Рассчитайте КПД теплового двигателя?
Решение
КПД теплового двигателя = 50%.
