Druhý termodynamický zákon

Článok o druhom termodynamickom zákone

Všetky prirodzene sa vyskytujúce procesy prebiehajú iba jedným smerom, ale nemôžu prebiehať v opačnom smere, zvyčajne sa nazývajú nezvratné procesy. Po uvoľnení zo stonky a voľný pád Keď mango spadne na zem, nikdy sa nepohne späť. Kniha, ktorú zatlačíme a potom sa zastaví, sa nikdy nepohne späť k nám. Ak sa dotkneme objektu s vysokou teplotou (horúcim objektom) objektom s nízkou teplotou (studeným objektom), teplo prirodzene prúdi z objektu s vysokou teplotou na objekt s nízkou teplotou. Nikdy nevidíme opačný proces, kde by sa teplo prirodzene presúvalo zo studeného objektu na horúci objekt. Ak by k tomuto procesu došlo, studený objekt by sa ochladil, zatiaľ čo horúci objekt by sa zahrial. V skutočnosti to však nie je tak. Existuje mnoho nezvratných procesov, ktoré sa od seba zdajú byť odlišné, ale všetky zahŕňajú zmeny vo forme energie a prenos energie z jedného objektu na druhý.

Napríklad, dôjde k silnému zemetraseniu, ktoré spôsobí zrútenie budov (budovy sa zrútia v dôsledku energie prenášanej zemetrasnými vlnami). Videli ste niekedy, ako sa každá časť zrútenej budovy opäť spojí a postaví sa vzpriamene ako predtým? Alebo napríklad, ako sklo spadne na zem a rozbije sa... Videli ste niekedy, ako sa úlomky skla roztrúsené po podlahe opäť spoja a vytvoria sklo, ktoré je celé ako predtým? Nikdy sa to nestalo... existuje mnoho ďalších príkladov.

Aby vedci vysvetlili termodynamické procesy, ktoré prebiehajú iba jedným smerom (nezvratné procesy), sformulovali druhý termodynamický zákon. Druhý termodynamický zákon vysvetľuje, ktoré procesy môžu vo vesmíre prebiehať a ktoré nie. Vedec menom RJE Clausius (1822 – 1888) urobil nasledujúce vyhlásenie:

Teplo sa samovoľne pohybuje z objektu s vysokou teplotou na objekt s nízkou teplotou; teplo sa samovoľne neprenesie z objektu s nízkou teplotou na objekt s vysokou teplotou (druhý termodynamický zákon – Clausiusovo tvrdenie).

Clausiusovo tvrdenie je špeciálne tvrdenie druhého termodynamického zákona. Nazýva sa špeciálnym tvrdením, pretože sa vzťahuje iba na jeden proces, a to prenos tepla. Keďže sa toto tvrdenie nevzťahuje na iné procesy, potrebujeme všeobecnejšie tvrdenie. Vývoj všeobecného tvrdenia druhého termodynamického zákona bol čiastočne založený na štúdiu tepelných motorov. Preto sa najprv budeme venovať tepelným motorom.

TEPELNÝ MOTOR

Veľká časť energie, ktorú využívame, pochádza z chemickej potenciálnej energie obsiahnutej v rope, plyne a uhlí. Chemická potenciálna energia obsiahnutá v rope, plyne alebo uhlí sa nedá použiť priamo. Ropa, plyn alebo uhlie sa musia najprv spáliť. Spaľovanie fosílnych palív (ropa, plyn a uhlie) zvyčajne produkuje teplo. Teplo sa dá priamo použiť na varenie jedla a vykurovanie miestnosti. Aby sme niečo pohli (napríklad na pohyb vozidla), musíme premeniť teplo na kinetickú energiu alebo mechanickú energiu (mechanická energia = potenciálna energia + kinetická energia). Premena mechanickej energie na teplo je veľmi jednoduchá práca, ale premena tepla na mechanickú energiu je náročná. Skúste si trieť dlane o seba... vaše dlane sú horúce, však? Keď si trieť dlane o seba (vykonávame prácu), mechanická energia sa premení na teplo. Proces je veľmi jednoduchý... Dokonca aj nekonečné teplo sa dá vyrobiť vykonávaním práce. Ale opačný proces, a to použitie tepla na vykonávanie práce, je náročný.

Zariadenie používané na využitie tepla na vykonávanie práce bolo vynájdené až v roku 1700. Týmto zariadením bol parný stroj. Parné stroje sa prvýkrát používali na čerpanie vody z uhoľných baní. Je dôležité poznamenať, že parné stroje boli prvýkrát použité ešte predtým, ako vedci vedeli, že teplo je v skutočnosti energia prenášaná v dôsledku teplotných rozdielov (prvý termodynamický zákon ešte nebol formulovaný).

Používanie parných strojov v tom čase bolo pravdepodobne založené na každodenných skúsenostiach, ktoré ukazovali, že para dokáže veci hýbať. Parné stroje sa považujú za tepelné motory (tepelný stroj = zariadenie na premenu tepla na mechanickú energiu). Dnes sa parné stroje používajú na výrobu elektrickej energie. Moderné tepelné motory sú spaľovacie motory (motory automobilov, motocyklov atď.).

Základná myšlienka použitia tepelného motora spočíva v tom, že teplo sa môže premeniť na mechanickú energiu iba vtedy, ak sa mu umožní prúdiť z oblasti s vysokou teplotou do oblasti s nízkou teplotou. Počas tohto procesu sa časť tepla premieňa na mechanickú energiu (časť tepla sa využíva na vykonanie práce), zatiaľ čo časť tepla sa odvádza do oblasti s nízkou teplotou. Proces premeny energie a prenosu energie v tepelnom motore je znázornený na diagrame.

Vysoká teplota (T_H) a nízka teplota (T_L) sa nazýva aj prevádzková teplota motora. Teplo prúdiace z miesta s vysokou teplotou sa označuje symbolom Q_H, zatiaľ čo teplo, ktoré sa uvoľňuje na miesto s nízkou teplotou, sa označuje symbolom Q_L. Pri prúdení z miesta s vysokou teplotou na miesto s nízkou teplotou sa určité Q_H premenená na mechanickú energiu (spotrebovanú na vykonanie práce), časť z nej sa uvoľní ako Q_LVlastne dúfame, že všetky Q_H dá sa previesť na W, ale každodenné skúsenosti ukazujú, že to nie je možné. Vždy dochádza k strate určitého tepla. Na základe zákona zachovania energie teda možno usudzovať, že Q_H = W + Q_L.

Teraz si pozrime tepelný motor bežne používaný na premenu tepla na mechanickú energiu. Je dôležité poznamenať, že uvažujeme iba tepelné motory, ktoré vykonávajú nepretržitú prácu. Aby sa práca vykonávala nepretržite, teplo musí prúdiť nepretržite z oblasti s vysokou teplotou do oblasti s nízkou teplotou. Ak teplo prúdi iba raz, práca vykonaná tepelným motorom sa tiež vykoná iba raz (vyrobená mechanická energia bude veľmi malá). Preto tepelný motor nemožno využiť optimálne. Tepelný motor možno využiť optimálne, ak vykonáva prácu nepretržite. Inými slovami, mechanická energia vyrobená tepelným motorom je dostatočná na to, aby sa dala použiť na pohyb niečoho.

Parný stroj

Parné stroje používajú ako teplonosné médium vodnú paru. Para sa označuje ako pracovná látka parného stroja. Existujú dva typy parných strojov: piestové parné stroje a turbínové parné stroje (parné turbíny). Ich konštrukcia sa mierne líši, ale oba typy majú spoločné črty: používajú paru ohrievanú spaľovaním ropy, plynu, uhlia alebo jadrovej energie.

Parný stroj s vratným pohybom

Voda v nádobe sa zvyčajne zahrieva pri vysokom tlaku. Keďže sa zahrieva pri vysokom tlaku, proces varu prebieha pri vysokej teplote. Teplota je priamo úmerná tlaku. Čím vyššia je teplota pary, tým vyšší je tlak pary. Táto para s vysokou teplotou alebo vysokým tlakom sa pohybuje cez vstupný ventil a rozpína ​​sa oproti piestu. Pri rozpínaní para tlačí piest, čo spôsobuje jeho pohyb doprava.

Časť tepla v pare sa premení na kinetickú energiu. Keď sa piest pohybuje doprava, koleso spojené s piestom sa otočí (1). Po polovici otáčky koleso zatlačí piest späť do jeho pôvodnej polohy (2). Keď sa piest pohybuje doľava, vstupný ventil sa automaticky zatvorí, zatiaľ čo výfukový ventil sa automaticky otvorí. Para sa kondenzuje v kondenzátore a mení sa na rosu. Následne sa voda v kondenzátore čerpá späť do nádoby, aby sa opäť zovarila. A tak ďalej… Pretože proces prebieha opakovane, piest sa pohybuje nepretržite doprava a doľava. Pretože sa piest pohybuje nepretržite doprava a doľava, aj koleso sa nepretržite otáča. Rotácia kolesa sa zvyčajne používa na pohyb niečoho.

Parná turbína

Princíp činnosti parnej turbíny je v podstate rovnaký ako princíp činnosti piestového parného stroja. Rozdiel je v tom, že piestový parný stroj používa piest, zatiaľ čo parná turbína používa turbínu. V piestovom parnom stroji sa teplo najprv premení na translačnú kinetickú energiu piestu. Potom sa translačná kinetická energia piestu premení na rotačnú kinetickú energiu rotujúceho kolesa. V parnej turbíne sa teplo priamo premení na rotačnú kinetickú energiu turbíny. Turbína sa môže otáčať v dôsledku tlakového rozdielu. Teplota pary nad lopatkou je oveľa vyššia ako teplota pary pod lopatkou. Lopatka je tenká doska umiestnená v strede turbíny. Teplota je priamo úmerná tlaku. Pretože teplota pary nad lopatkou je vyššia ako teplota pary pod lopatkou, tlak pary nad lopatkou je väčší ako tlak pod lopatkou. Tento tlakový rozdiel spôsobuje, že para tlačí lopatku smerom nadol, čo spôsobuje otáčanie turbíny. Smer otáčania turbíny je znázornený na obrázku.

Je dôležité poznamenať, že princíp fungovania parného stroja je založený na vyššie uvedenom diagrame prenosu energie. V tomto prípade sa mechanická energia môže generovať prenosom tepla z objektu alebo miesta s vysokou teplotou na objekt alebo miesto s nízkou teplotou. Preto je v parnom stroji nevyhnutný teplotný rozdiel.

Ak venujete pozornosť tomu, ako funguje piestový parný stroj, všimnete si, že piest sa môže pohybovať doľava a doprava, aj keď nie je žiadny teplotný rozdiel (žiadny kondenzátor ani čerpadlo). Piest sa môže pohybovať doprava v dôsledku expanzie pary s vysokou teplotou alebo vysokým tlakom. V tomto prípade sa časť tepla v pare premení na translačnú kinetickú energiu piestu. Táto translačná kinetická energia piestu sa potom premení na rotačnú kinetickú energiu rotujúceho kolesa. Po dokončení polovice otáčky koleso tlačí piest späť doľava. Keď koleso tlačí piest späť doľava, rotačná kinetická energia kolesa sa opäť premení na translačnú kinetickú energiu piestu. Keď sa piest pohybuje doľava, vytlačí paru vo valci. Súčasne sa otvorí výfukový ventil.

Para tlačená piestom teda bude tlačiť svoju paru pod výfukový ventil. Ak sa teplota pary pod výfukovým ventilom rovná teplote pary tlačenej piestom, potom sa všetka translačná kinetická energia piestu premení späť na vnútornú energiu pary. Vnútorná energia je priamo úmerná teplote. Ak sa vnútorná energia pary zvýši, teplota pary sa zvýši. Teplota je priamo úmerná tlaku. Ak sa teplota pary zvýši, zvýši sa aj tlak pary. Tlak pary uvoľňovanej cez výfukový ventil sa teda rovná tlaku pary vstupujúcej cez vstupný ventil. Piest sa bude naďalej pohybovať plynule doprava a doľava, ale nebude možné využiť žiadnu celkovú kinetickú energiu (nevytvorí sa žiadna celková práca). Kinetická energia, ktorú piest prijme počas procesu expanzie (piest sa pohybuje doprava), sa teda vráti pare počas procesu kompresie (piest sa pohybuje doľava).

Záverom je, že teplotný rozdiel v parnom stroji je stále nevyhnutný. Tento teplotný rozdiel v parnom stroji sa dá dosiahnuť použitím kondenzátora. Keď je teplota a tlak pary pod výfukovým ventilom oveľa nižšie ako teplota a tlak pary vo valci, potom keď sa piest pohybuje späť doľava, tlak, ktorý piest vyvíja na paru, je oveľa menší ako tlak, ktorý para vyvíja na piest, keď sa piest pohybuje doprava. Inými slovami, množstvo práce, ktorú piest vykoná na pare, je oveľa menšie ako množstvo práce, ktorú para vykoná na pieste. Preto sa do pary vracia iba malá časť kinetickej energie piesta. Vznikne teda celková kinetická energia alebo celková práca. Táto celková kinetická energia sa používa na pohyb niečoho.

Spaľovací motor

Príkladmi spaľovacích motorov sú motocyklové a automobilové motory. Nazývajú sa spaľovacie motory, pretože proces spaľovania prebieha vo vnútri uzavretého valca. Spaľovacie motory sú výsledkom inžinierstva využívajúceho koncept adiabatickej kompresie a expanzie, ako bolo vysvetlené v predchádzajúcej téme. prvý termodynamický zákon.

Budeme brať do úvahy iba spaľovacie motory, ktoré používajú ako palivo benzín a naftu. Benzín a nafta sú ropné produkty, a preto majú chemickú potenciálnu energiu. Chemická potenciálna energia v benzíne a nafte sa najprv premieňa na teplo procesom spaľovania. Teplo vytvorené spaľovaním sa potom premieňa na mechanickú energiu. Táto mechanická energia umožňuje pohyb motocykla alebo auta. Cyklus v benzínovom motore sa nazýva Ottov cyklus, zatiaľ čo cyklus v naftovom motore sa nazýva naftový cyklus. Cyklus je reverzibilný termodynamický proces. Najprv si rozoberme Ottov cyklus.

Ottov cyklus

Toto je schéma štvortaktného spaľovacieho motora. Zmes vzduchu a benzínových pár prúdi z karburátora do valca, keď sa piest pohybuje smerom nadol (nasávací zdvih). Zmes vzduchu a benzínových pár vo valci sa potom adiabaticky stláča, keď sa piest pohybuje smerom nahor (kompresný zdvih). Pretože je adiabaticky stláčaná, teplota a tlak zmesi sa zvyšujú. Súčasne zapaľovacia sviečka zapaľuje zmes a tým ju zapaľuje. Pri horení sa zvyšuje teplota a tlak plynu. Plyn s vysokou teplotou a vysokým tlakom expanduje proti piestu a tlačí ho smerom nadol (expanzný zdvih). Spálený plyn sa potom uvoľní cez výfukový ventil a smeruje do výfukového potrubia (výfukový zdvih). Nasávací ventil sa opäť otvorí a štyri zdvihy sa opakujú.

Je dôležité poznamenať, že účelom adiabatického kompresného zdvihu je zvýšiť teplotu a tlak zmesi pár vzduchu a benzínu. Spaľovanie pri vysokom tlaku vytvára veľmi vysoké teploty a tlaky. V dôsledku toho je ťah (F = PA) generovaný počas procesu expanzie veľmi veľký. To vedie k zvýšeniu výkonu motora motocykla alebo auta. Aj bez kompresie sa zmes pár vzduchu a benzínu môže vznietiť, keď zapaľovacia sviečka vytvorí iskru. Teplota a tlak spaľovaného plynu však nie sú veľmi vysoké, takže výsledný ťah je tiež malý. V dôsledku toho sa motor stáva menej výkonným.

Proces premeny a prenosu energie v štvortaktnom spaľovacom motore možno vysvetliť takto: Počas spaľovania sa chemická potenciálna energia v benzíne a energia vo vzduchu premieňa na teplo. Časť tepla sa premieňa na mechanickú energiu v piestnej tyči a kľukovom hriadeli, zatiaľ čo časť sa uvoľňuje cez výfukové potrubie. Väčšina mechanickej energie v piestnej tyči a kľukovom hriadeli sa premieňa na mechanickú energiu vo vozidle (pohyb vozidla), zatiaľ čo malá časť sa premieňa na teplo. Teplo vzniká trením.

Adiabatický proces expanzie a kompresie v Ottovom cykle možno znázorniť na diagrame nižšie. Tento diagram zobrazuje idealizovaný model termodynamických procesov prebiehajúcich v benzínovom spaľovacom motore.

Zmes vzduchu a benzínových pár vstupuje do valca (a). Zmes vzduchu a benzínových pár sa potom adiabaticky stlačí (a-b). Všimnite si, že objem valca sa zmenšuje. Zmes vzduchu a benzínových pár sa zahrieva pri konštantnom objeme – zmes sa spaľuje (b-c). Spálený plyn podlieha adiabatickej expanzii (c-d). Chladenie pri konštantnom objeme – spálený plyn sa vypúšťa do výfukového potrubia a do valca vstupuje nová zmes vzduchu a benzínových pár (d-a).

Zmes vzduchu a benzínových pár vstupuje do valca (a). Zmes vzduchu a benzínových pár sa potom adiabaticky stlačí (a-b). Všimnite si, že objem valca sa zmenšuje. Zmes vzduchu a benzínových pár sa zahrieva pri konštantnom objeme – zmes sa spaľuje (b-c). Spálený plyn podlieha adiabatickej expanzii (c-d). Chladenie pri konštantnom objeme – spálený plyn sa vypúšťa do výfukového potrubia a do valca vstupuje nová zmes vzduchu a benzínových pár (d-a).

Dieselový cyklus

Princíp činnosti dieselového motora je podobný princípu benzínového motora. Rozdiel spočíva v počiatočnom kroku adiabatickej kompresie (adiabatická kompresia = kompresia, ktorá sa vykonáva tak rýchlo, že teplo nemá čas prúdiť do systému alebo z neho odchádzať. Systémom je v tomto prípade valec). Zatiaľ čo v benzínovom motore sa stláča zmes vzduchu a benzínových pár, v dieselovom motore sa stláča iba vzduch. Adiabatická kompresia spôsobuje zvýšenie teploty a tlaku vzduchu. Následne vstrekovač, známy aj ako injektor, vstrekuje naftu. Pretože teplota a tlak vzduchu sú už veľmi vysoké, keď sa nafta vstrekne do valca, nafta sa okamžite zapáli. Nie sú potrebné žiadne zapaľovacie sviečky. Všimnite si hodnotu tlaku znázornenú na diagrame nižšie. Bporovnajte s veľkosťou tlaku znázornenou na Ottovom cyklickom diagrame.

Táto schéma znázorňuje ideálny cyklus naftového motora. Najprv sa vzduch adiabaticky stlačí (a-b), potom sa zahreje pri konštantnom tlaku – vstrekovač vstrekuje naftu a dochádza k spaľovaniu (b-c), spálený plyn podlieha adiabatickej expanzii (c-d), ochladí sa pri konštantnom objeme – spálený plyn je vytlačený cez výfukové potrubie a čerstvý vzduch vstupuje do valca (d-a).

Na základe vyššie uvedeného vysvetlenia možno konštatovať, že každý tepelný stroj má v podstate špecifickú pracovnú látku. Pracovnou látkou pre parný stroj je voda, pracovnou látkou pre benzínový motor je vzduch a benzínová para a pracovnou látkou pre dieselový motor je vzduch a motorová nafta. Pracovná látka zvyčajne absorbuje teplo pri vysokej teplote (Q_H), vykonaním práce (W) a následným uvoľnením zvyšného tepla pri nižšej teplote (Q_L). Pretože energia sa zachováva, potom Q_H = W + Q_L.

Účinnosť tepelného motora

Účinnosť (e) tepelného motora je pomer medzi prácou (W) vykonanou motorom a tepelným príkonom pri vysokej teplote (Q)._H). Matematicky sa to dá zapísať takto:

W je zisk, ktorý dostávame, zatiaľ čo Q je zisk, ktorý dostávame._H sú náklady, ktoré vynakladáme na nákup a spaľovanie paliva. Ako ľudia, ktorí sa vždy snažia dosiahnuť čo najväčší zisk a čo najmenšie výdavky, dúfame, že zisk, ktorý dosiahneme (W), bude úmerný nákladom, ktoré vynaložíme (QH). Je to možné?

Na základe zákona zachovania energie, vstupné teplo (Q_H) sa musí rovnať vykonanej práci (W) + uvoľnenému teplu (Q)_L). Matematicky:

Ak chcete vyjadriť účinnosť tepelného motora v percentách, jednoducho vynásobte rovnicu účinnosti číslom 100 %. Na základe vyššie uvedenej rovnice účinnosti platí, že čím viac tepla sa odvedie (Q_L) tepelným motorom, tým menej je tepelný motor účinný. V skutočnosti chceme, aby množstvo odvádzaného tepla (Q_L) čo najmenej. Avšak tepelný príkon (Q_H) sa zvyčajne získava spaľovaním ropy, uhlia, plynu atď. (palivo, za ktoré platíme).

Preto je každý tepelný stroj v podstate navrhnutý tak, aby bol čo najefektívnejší. Hoci si želáme čo najväčší úžitok s čo najnižšími možnými nákladmi, realita je taká, že parné stroje majú zvyčajne účinnosť okolo 40 %, zatiaľ čo spaľovacie motory majú účinnosť okolo 50 %. To znamená, že polovica tepla vyrobeného spaľovaním paliva sa premrhá. Iba polovica sa premení na mechanickú energiu.

Príklad otázky 1:

Tepelný motor absorbuje 3000 joulov tepla (Q_H), vykonávajúc prácu (W) a uvoľňujúc 2500 joulov tepla (Q_L). Aká je účinnosť tepelného motora?

Diskusia

Príklad otázky 2:

Tepelný motor absorbuje 3000 joulov tepla (Q_H), vykonajúc prácu (W) a uvoľniac 2000 joulov tepla (Q_L). Aká je účinnosť tepelného motora?

Diskusia

Príklad otázky 3:

Tepelný motor absorbuje 3000 joulov tepla (Q_H), vykonajúc prácu (W) a uvoľniac 1500 joulov tepla (Q_L). Aká je účinnosť tepelného motora?

Diskusia