Aby vedci vysvetlili nezvratné termodynamické procesy, sformulovali druhý termodynamický zákon. Druhý termodynamický zákon vysvetľuje, aké procesy môžu prebiehať vo vesmíre a aké nie. Vedec menom R. J. E. Clausius (1822 – 1888) vyslovil toto tvrdenie:
Teplo sa prirodzene presúva z objektov s vysokou teplotou na objekty s nízkou teplotou; teplo prirodzene neprechádza z objektov s nízkou teplotou na objekty s vysokou teplotou (druhý termodynamický zákon – Clausiusovo tvrdenie).
Clausiusovo tvrdenie je jedným zo špeciálnych tvrdení druhého termodynamického zákona. Nazýva sa špeciálnym tvrdením, pretože platí iba pre jeden proces, ktorý súvisí s prenosom tepla. Keďže toto tvrdenie nesúvisí s inými procesmi, potrebujeme všeobecnejšie tvrdenie. Vypracovanie všeobecného tvrdenia druhého termodynamického zákona je založené na štúdiu tepelných motorov. Preto sa najprv budeme venovať teplu motora.
Tepelný motor
Veľká časť energie, ktorú využívame, pochádza z chemickej potenciálnej energie obsiahnutej v rope, plyne a uhlí. Chemická potenciálna energia, ktorá sa má priamo využiť, sa musí najprv spáliť. Spaľovanie fosílnych palív (ropy, plynu a uhlia) zvyčajne produkuje teplo. Teplo sa dá priamo použiť na varenie jedla, vykurovanie miestnosti. Aby sme niečo pohli (napríklad na pohyb vozidla), musíme teplo premeniť na kinetickú energiu alebo mechanickú energiu (mechanická energia = potenciálna energia + kinetická energia).
Nástroj, ktorý využíva teplo na vykonávanie práce, bol objavený v roku 1700. Bol to parný stroj. Parný stroj bol prvýkrát použitý na čerpanie vody z uhoľnej bane.
Parné stroje sa používajú preto, lebo para dokáže veci hýbať. Medzi parné stroje patrí tepelný stroj (tepelný stroj je nástroj na premenu tepla na mechanickú energiu). V súčasnosti sa parný stroj používa na výrobu elektrickej energie. Moderné tepelné motory sú spaľovacie motory, ako sú motory automobilov, motocyklov atď.
Základnou myšlienkou použitia tepelných motorov je, že teplo sa dá premeniť na mechanickú energiu, ak sa teplo nechá prúdiť z vysokých teplôt na nízke teploty. Počas tohto procesu sa časť tepla premení na mechanickú energiu (časť tepla sa využije na vykonanie práce), časť tepla sa uvoľní na miestach s nízkou teplotou. Proces zmeny tvaru energie a prenosu energie v tepelnom motore vyzerá ako tento diagram.
Vysoká teplota (TH) a nízka teplota (TL) sa nazývajú prevádzková teplota stroja. QH je teplo prúdiace z vysokej teploty, zatiaľ čo QL je teplo prúdiace do miesta s nízkou teplotou. Pri prúdení z miesta s vysokou teplotou do miesta s nízkou teplotou sa časť tepla premení na mechanickú energiu (využije sa na prácu), časť tepla sa odovzdá ako QLVšetko teplo sa nedá premeniť na prácu (W), vždy sa uvoľní teplo (QL). Teda, na základe zákona zachovania energie, QH = W + QL.
Existuje niekoľko tepelných motorov, vrátane parných motorov a spaľovacích motorov.
Parný motor
Parné stroje používajú ako teplonosné médium vodnú paru. Para je pracovná tekutina. Existujú dva typy parných strojov: striedavé parné stroje a turbínové parné stroje. Konštrukcia týchto motorov je odlišná, ale tieto dva typy parných strojov používajú paru, ktorá sa ohrieva spaľovaním ropy, plynu, uhlia alebo pomocou jadrovej energie.
Spaľovacie motory
Motocyklové motory a automobilové motory sú príkladmi spaľovacích motorov. Nazývajú sa spaľovacími motormi, pretože proces spaľovania prebieha vo vnútri uzavretých valcov. Prítomnosť spaľovacieho motora je výsledkom inžinierskeho konceptu adiabatickej kompresie a expanzie.
Účinnosť tepelného motora
Účinnosť tepelného motora (e) je porovnanie práce (W) vykonanej strojom s tepelným príkonom pri vysokej teplote (Q H ).
W je dosiahnutý zisk, zatiaľ čo Q H sú náklady vynaložené na nákup a spaľovanie paliva. Ako ľudské bytosti, ktoré sa vždy snažia dosiahnuť maximálny zisk a čo najmenšie výdavky, dúfame, že zvýšenie zisku (W) bude úmerné nákladom, ktoré vynaložíme (Q H ). Mohlo by sa to stať?
Na základe zákona zachovania energie sa teplo (Q H ) musí rovnať práci (W) + uvoľnenému teplu (Q L ).
Nahraďte W v rovnici 1 za W v rovnici 2
Toto je rovnica účinnosti tepelného motora.
Otázka 1:
Tepelný motor absorbuje teplo 3000 Joulov (Q H ), vykoná prácu (W) a odvedie teplo 2500 Joulov (Q L ). Vypočítajte tepelnú účinnosť motora.
Riešenie
Účinnosť tepelného motora = 17 %.
Otázka 2:
Tepelný stroj absorbuje 3000 Jouleov tepla (Q H ), vykoná prácu (W) a odvedie 2000 Jouleov tepla (Q L ). Vypočítajte účinnosť tepelného motora.
Riešenie
Účinnosť tepelného motora = 34 %.
Otázka 3:
Tepelný stroj absorbuje 3000 joulov tepla (Q H ), vykoná prácu (W) a uvoľní až 1500 joulov tepla (Q L ). Vypočítajte účinnosť tepelného motora?
Riešenie
Účinnosť tepelného motora = 50 %.
