Članek o drugem zakonu termodinamike
Vsi naravni procesi se odvijajo samo v eno smer, ne morejo pa se odvijati v nasprotni smeri, kar običajno imenujemo nepovratni procesi. Ko se mango sprosti s stebla in prosto pade na tla, se nikoli več ne premakne navzgor. Knjiga, ki jo potisnemo in se nato ustavi, se nikoli več ne premakne nazaj proti nam. Če se predmeta z visoko temperaturo (vročega predmeta) dotaknemo predmeta z nizko temperaturo (hladnega predmeta), toplota naravno teče od predmeta z visoko temperaturo k predmetu z nizko temperaturo. Nikoli ne vidimo obratnega procesa, kjer se toplota naravno premika od hladnega predmeta k vročemu predmetu. Če bi se ta proces zgodil, bi hladen predmet postal hladnejši, vroč predmet pa bolj vroč. Vendar v resnici ni tako. Obstaja veliko nepovratnih procesov, ki se med seboj zdijo različni, vendar vsi vključujejo spremembe v obliki energije in prenos energije iz enega predmeta v drugega.
Na primer, pride do močnega potresa, ki povzroči porušitev stavb (stavbe se porušijo zaradi energije, ki jo prenašajo potresni valovi). Ste že kdaj videli, kako se vsi deli porušene stavbe spet združijo in stojijo pokonci kot prej? Ali pa na primer kozarec pade na tla in se razbije ... Ste že kdaj videli, kako se drobci stekla, raztreseni po tleh, spet združijo in tvorijo kozarec, ki je cel kot prej? Nikoli se ni zgodilo ... obstaja še veliko drugih primerov.
Da bi pojasnili termodinamične procese, ki se odvijajo le v eni smeri (nepovratni procesi), so znanstveniki formulirali drugi zakon termodinamike. Drugi zakon termodinamike pojasnjuje, kateri procesi se lahko odvijajo v vesolju in kateri ne. Znanstvenik po imenu R.J.E. Clausius (1822–1888) je podal naslednjo izjavo:
Toplota se sama od sebe premika od predmeta z visoko temperaturo do predmeta z nizko temperaturo; toplota se ne bo sama od sebe premikala od predmeta z nizko temperaturo do predmeta z visoko temperaturo (drugi zakon termodinamike – Clausiusova trditev).
Clausiusova trditev je posebna trditev drugega zakona termodinamike. Imenuje se posebna trditev, ker velja le za en proces, in sicer za prenos toplote. Ker se ta trditev ne nanaša na druge procese, potrebujemo bolj splošno trditev. Razvoj splošne trditve drugega zakona termodinamike je delno temeljil na preučevanju toplotnih strojev. Zato bomo najprej obravnavali toplotne stroje.
TOPLOTNI MOTOR
Velik del energije, ki jo uporabljamo, izvira iz kemične potencialne energije, ki jo vsebujejo nafta, plin in premog. Kemijske potencialne energije, ki jo vsebujejo nafta, plin ali premog, ni mogoče uporabiti neposredno. Nafto, plin ali premog je treba najprej sežgati. Običajno sežiganje fosilnih goriv (nafta, plin in premog) proizvaja toploto. Toploto lahko neposredno uporabimo za kuhanje hrane in ogrevanje prostora. Da bi nekaj premaknili (na primer za premikanje vozila), moramo toploto pretvoriti v kinetično ali mehansko energijo (mehanska energija = potencialna energija + kinetična energija). Pretvorba mehanske energije v toploto je zelo enostavno delo, pretvorba toplote v mehansko energijo pa je težka. Poskusite drgniti dlani skupaj ... vaše dlani so vroče, kajne? Ko drgnemo dlani skupaj (opravljamo delo), se mehanska energija pretvori v toploto. Postopek je zelo preprost ... Celo neskončno toploto lahko proizvedemo z opravljanjem dela. Toda obratni postopek, namreč uporaba toplote za opravljanje dela, je težaven.
Naprava za izkoriščanje toplote za opravljanje dela je bila izumljena šele leta 1700. Gre za parni stroj. Parni stroji so bili prvič uporabljeni za črpanje vode iz premogovnikov. Pomembno je omeniti, da so bili parni stroji prvič uporabljeni, še preden so znanstveniki vedeli, da je toplota pravzaprav energija, ki se prenaša zaradi temperaturnih razlik (prvi zakon termodinamike še ni bil formuliran).
Uporaba parnih strojev v tistem času je verjetno temeljila na vsakdanjih izkušnjah, ki so kazale, da para lahko premika stvari. Parni stroji veljajo za toplotne stroje (toplotni stroj je naprava za pretvorbo toplote v mehansko energijo). Danes se parni stroji uporabljajo za proizvodnjo električne energije. Sodobni toplotni stroji so motorji z notranjim zgorevanjem (avtomobilski motorji, motorji motornih koles itd.).
Osnovna ideja uporabe toplotnega stroja je, da se toplota lahko pretvori v mehansko energijo le, če ji dovolimo pretok iz območja z visoko temperaturo v območje z nizko temperaturo. Med tem procesom se del toplote pretvori v mehansko energijo (del toplote se porabi za delo), del toplote pa se odda v območje z nizko temperaturo. Proces pretvorbe in prenosa energije v toplotnem stroju je prikazan na diagramu.
Visoka temperatura (TH) in nizka temperatura (TL) se imenuje tudi delovna temperatura motorja. Toplota, ki teče iz mesta z visoko temperaturo, je označena s simbolom QH, medtem ko je toplota, ki se sprosti na mesto z nizko temperaturo, označena s simbolom QL. Pri pretoku iz mesta z visoko temperaturo v mesto z nizko temperaturo se pojavi nekaj QH pretvori se v mehansko energijo (uporablja se za delo), del se sprosti kot QLPravzaprav resnično upamo, da bodo vsi QH lahko pretvorimo v W, vendar vsakdanje izkušnje kažejo, da je to nemogoče. Vedno se izgubi nekaj toplote. Tako lahko na podlagi zakona o ohranitvi energije sklepamo, da je QH = W + QL.
Sedaj pa si oglejmo toplotni stroj, ki se pogosto uporablja za pretvorbo toplote v mehansko energijo. Pomembno je omeniti, da obravnavamo le toplotne stroje, ki opravljajo neprekinjeno delo. Da se delo opravlja neprekinjeno, mora toplota neprekinjeno teči iz območja z visoko temperaturo v območje z nizko temperaturo. Če toplota teče le enkrat, bo tudi delo, ki ga opravi toplotni stroj, opravljeno le enkrat (proizvedena mehanska energija bo zelo majhna). Zato toplotnega stroja ni mogoče optimalno izkoristiti. Toplotni stroj je mogoče optimalno izkoristiti, če delo opravlja neprekinjeno. Z drugimi besedami, mehanska energija, ki jo proizvede toplotni stroj, je zadostna za premikanje nečesa.
Parni stroj
Parni stroji uporabljajo vodno paro kot medij za prenos toplote. Para se imenuje delovna snov parnega stroja. Obstajata dve vrsti parnih strojev: batni parni stroji in turbinski parni stroji (parne turbine). Njihove zasnove se nekoliko razlikujejo, vendar imata obe vrsti podobnosti: uporabljajo paro, ki se segreva z zgorevanjem nafte, plina, premoga ali jedrske energije.
Batni parni stroj
Voda v posodi se običajno segreva pri visokem tlaku. Ker se segreva pri visokem tlaku, vrelišče poteka pri visoki temperaturi. Temperatura je neposredno sorazmerna s tlakom. Višja kot je temperatura pare, večji je parni tlak. Ta visokotemperaturna ali visokotlačna para se premika skozi vstopni ventil in se širi ob batu. Ko se širi, para potiska bat, zaradi česar se ta premakne v desno.
Del toplote v pari se pretvori v kinetično energijo. Ko se bat premakne v desno, se kolo, ki je povezano z batom, zavrti (1). Po pol obrata kolo potisne bat nazaj v prvotni položaj (2). Ko se bat premakne v levo, se vstopni ventil samodejno zapre, izpušni ventil pa se samodejno odpre. Para se kondenzira v kondenzatorju in se spremeni v roso. Nato se voda v kondenzatorju črpa nazaj v posodo, kjer ponovno zavre. In tako naprej ... Ker se postopek ponavlja, se bat neprekinjeno premika v desno in levo. Ker se bat neprekinjeno premika v desno in levo, se tudi kolo neprekinjeno vrti. Vrtenje kolesa se običajno uporablja za premikanje nečesa.
Parna turbina
Načelo delovanja parne turbine je v bistvu enako načelu delovanja batnega parnega stroja. Razlika je v tem, da batni parni stroj uporablja bat, parna turbina pa turbino. Pri batnem parnem stroju se toplota najprej pretvori v translacijsko kinetično energijo bata. Nato se translacijska kinetična energija bata pretvori v rotacijsko kinetično energijo vrtečega se kolesa. V parni turbini se toplota neposredno pretvori v rotacijsko kinetično energijo turbine. Turbina se lahko vrti zaradi tlačne razlike. Temperatura pare nad lopatico je veliko višja od temperature pare pod lopatico. Lopatica je tanka plošča, ki se nahaja v središču turbine. Temperatura je neposredno sorazmerna s tlakom. Ker je temperatura pare nad lopatico višja od temperature pare pod lopatico, je tlak pare nad lopatico večji od tlaka pod lopatico. Ta tlačna razlika povzroči, da para potiska lopatico navzdol, kar povzroči vrtenje turbine. Smer vrtenja turbine je prikazana na sliki.
Pomembno je omeniti, da načelo delovanja parnega stroja temelji na zgoraj pojasnjenem diagramu prenosa energije. V tem primeru se mehanska energija lahko ustvari s prenosom toplote iz predmeta ali mesta z visoko temperaturo v predmet ali mesto z nizko temperaturo. Zato je temperaturna razlika v parnem stroju bistvena.
Če ste pozorni na delovanje batanega parnega stroja, boste opazili, da se bat lahko premika levo in desno, čeprav ni temperaturne razlike (ni kondenzatorja ali črpalke). Bat se lahko premika desno zaradi širjenja pare pri visoki temperaturi ali visokem tlaku. V tem primeru se del toplote v pari pretvori v translacijsko kinetično energijo bata. Ta translacijska kinetična energija bata se nato pretvori v rotacijsko kinetično energijo vrtečega se kolesa. Po pol obrata kolo potisne bat nazaj v levo. Ko kolo potisne bat nazaj v levo, se rotacijska kinetična energija kolesa ponovno pretvori v translacijsko kinetično energijo bata. Ko se bat premakne v levo, potisne paro v valj. Hkrati se odpre izpušni ventil.
Tako bo para, ki jo potiska bat, potiskala svojega prijatelja pod izpušni ventil. Če je temperatura pare pod izpušnim ventilom enaka temperaturi pare, ki jo potiska bat, se bo vsa translacijska kinetična energija bata pretvorila nazaj v notranjo energijo pare. Notranja energija je neposredno sorazmerna s temperaturo. Če se notranja energija pare poveča, se temperatura pare poveča. Temperatura je neposredno sorazmerna s tlakom. Če se temperatura pare poveča, se poveča tudi tlak pare. Tako je tlak pare, ki se sprosti skozi izpušni ventil, enak tlaku pare, ki vstopa skozi vstopni ventil. Bat se bo še naprej neprekinjeno gibal desno in levo, vendar ne bo mogoče izkoristiti nobene skupne kinetične energije (ne bo opravljeno skupno delo). Torej se bo kinetična energija, ki jo bat prejme med procesom ekspanzije (bat se premakne v desno), med procesom kompresije (bat se premakne v levo) vrnila pari.
Sklepamo, da je temperaturna razlika v parnem stroju še vedno potrebna. To temperaturno razliko v parnem stroju je mogoče doseči z uporabo kondenzatorja. Ko sta temperatura in tlak pare pod izpušnim ventilom precej nižja od temperature in tlaka pare v valju, je pri premikanju bata nazaj v levo tlak, ki ga bat izvaja na paro, precej manjši od tlaka, ki ga para izvaja na bat, ko se bat premakne v desno. Z drugimi besedami, količina dela, ki ga bat opravi na pari, je precej manjša od količine dela, ki ga para opravi na batu. Torej se le majhen del kinetične energije bata vrne v paro. Tako bo nastala skupna kinetična energija ali skupno delo. Ta skupna kinetična energija se uporabi za premikanje nečesa.
Motor z notranjim zgorevanjem
Motorji motornih koles in avtomobilov so primeri motorjev z notranjim zgorevanjem. Imenujejo se motorji z notranjim zgorevanjem, ker proces zgorevanja poteka v zaprtem valju. Motorji z notranjim zgorevanjem so rezultat inženirskega koncepta adiabatne kompresije in ekspanzije, ki je pojasnjen v prvem zakonu termodinamike.
Upoštevali bomo le motorje z notranjim zgorevanjem, ki kot gorivo uporabljajo bencin in dizel. Bencin in dizel sta naftna derivata in zato imata kemično potencialno energijo. Kemijska potencialna energija v bencinu in dizelskem gorivu se najprej pretvori v toploto s procesom zgorevanja. Toplota, ki nastane pri zgorevanju, se nato pretvori v mehansko energijo. Ta mehanska energija omogoča gibanje motornega kolesa ali avtomobila. Cikel v bencinskem motorju se imenuje Ottov cikel, medtem ko se cikel v dizelskem motorju imenuje dizelski cikel. Cikel je reverzibilen termodinamični proces. Najprej si oglejmo Ottov cikel.
Ottov cikel
To je diagram štiritaktnega motorja z notranjim zgorevanjem. Mešanica zraka in bencinskih hlapov teče iz uplinjača v valj, ko se bat premika navzdol (sesalni takt). Mešanica zraka in bencinskih hlapov v valju se nato adiabatno stisne, ko se bat premika navzgor (kompresijski takt). Ker se mešanica adiabatno stisne, se temperatura in tlak mešanice povečata. Hkrati svečka vžge mešanico in jo tako vžge. Ko plin zgori, se temperatura in tlak plina povečata. Visokotemperaturni plin pod visokim tlakom se razširi ob bat in ga potisne navzdol (ekspanzijski takt). Zgoreli plin se nato sprosti skozi izpušni ventil in usmeri proti izpušni cevi (izpušni takt). Sesalni ventil se ponovno odpre in štirje takti se ponovijo.
Pomembno je omeniti, da je namen adiabatnega kompresijskega takta zvišanje temperature in tlaka mešanice hlapov zraka in bencina. Zgorevanje pri visokem tlaku povzroča zelo visoke temperature in tlake. Posledično je potisk (F = PA), ki nastane med procesom ekspanzije, zelo velik. Zaradi tega motor motornega kolesa ali avtomobila postane močnejši. Tudi brez kompresije se lahko mešanica hlapov zraka in bencina vžge, ko svečka ustvari iskro. Vendar pa temperatura in tlak zgorelega plina nista zelo visoka, zato je tudi nastali potisk majhen. Posledično motor postane manj zmogljiv.
Proces pretvorbe in prenosa energije v štiritaktnem motorju z notranjim zgorevanjem lahko razložimo na naslednji način: Med zgorevanjem se kemična potencialna energija v bencinu in energija v zraku pretvorita v toploto. Del toplote se pretvori v mehansko energijo v batnici in ročični gredi, del pa se sprosti skozi izpušno cev. Večina mehanske energije v batnici in ročični gredi se pretvori v mehansko energijo v vozilu (gibanje vozila), majhen del pa se pretvori v toploto. Toplota nastaja zaradi trenja.
Adiabatni proces ekspanzije in kompresije v Ottovem ciklu lahko ponazorimo s spodnjim diagramom. Ta diagram prikazuje idealiziran model termodinamičnih procesov, ki se odvijajo v bencinskem motorju z notranjim zgorevanjem.
Zmes zraka in bencinskih hlapov vstopi v valj (a). Zmes zraka in bencinskih hlapov se nato adiabatno stisne (a-b). Upoštevajte, da se prostornina valja zmanjša. Zmes zraka in bencinskih hlapov se segreva pri konstantni prostornini – zmes zgori (b-c). Zgoreli plin se adiabatno razteza (c-d). Ohlajanje pri konstantni prostornini – zgoreli plin se izpusti v izpušno cev in v valj vstopi nova mešanica zraka in bencinskih hlapov (d-a).
Zmes zraka in bencinskih hlapov vstopi v valj (a). Zmes zraka in bencinskih hlapov se nato adiabatno stisne (a-b). Upoštevajte, da se prostornina valja zmanjša. Zmes zraka in bencinskih hlapov se segreva pri konstantni prostornini – zmes zgori (b-c). Zgoreli plin se adiabatno razteza (c-d). Ohlajanje pri konstantni prostornini – zgoreli plin se izpusti v izpušno cev in v valj vstopi nova mešanica zraka in bencinskih hlapov (d-a).
Dizelski cikel
Načelo delovanja dizelskega motorja je podobno načelu delovanja bencinskega motorja. Razlika je v začetnem koraku adiabatne kompresije (adiabatna kompresija = kompresija, ki se izvede tako hitro, da toplota nima časa, da bi stekla v sistem ali iz njega. Sistem je v tem primeru valj). Medtem ko se pri bencinskem motorju stisne mešanica zraka in bencinskih hlapov, se pri dizelskem motorju stisne samo zrak. Adiabatna kompresija povzroči zvišanje temperature in tlaka zraka. Nato injektor, oz. šoba za vbrizgavanje goriva, vbrizga dizelsko gorivo. Ker sta temperatura in tlak zraka že zelo visoka, se dizelsko gorivo takoj vžge, ko se dizelsko gorivo vbrizga v valj. Svečka ni potrebna. Upoštevajte vrednost tlaka, prikazano na spodnjem diagramu. Primerjajte jo z vrednostjo tlaka, prikazano na Ottovem cikličnem diagramu.
Ta diagram prikazuje idealen dizelski cikel. Sprva se zrak adiabatno stisne (a-b), nato se segreje pri konstantnem tlaku – injektor vbrizga dizelsko gorivo in pride do zgorevanja (b-c), zgoreli plin se adiabatno razteza (c-d), ohlaja se pri konstantni prostornini – zgoreli plin se izloči skozi izpušno cev, svež zrak pa vstopi v valj (d-a).
Na podlagi zgornje razlage lahko sklepamo, da ima vsak toplotni stroj v osnovi specifično delovno snov. Delovna snov za parni stroj je voda, delovna snov za bencinski motor je zrak in bencinska para, delovna snov za dizelski motor pa zrak in dizel. Delovna snov običajno absorbira toploto pri visoki temperaturi (Q H ), opravi delo ( W ) in nato preostalo toploto sprosti pri nižji temperaturi (Q L ). Ker se energija ohrani, potem velja Q H = W + Q L.
Učinkovitost toplotnega motorja
Izkoristek (e) toplotnega stroja je razmerje med delom (W), ki ga opravi motor, in dovedeno toploto pri visoki temperaturi (Q H ). Matematično ga lahko zapišemo takole:
W je dobiček, ki ga prejmemo, medtem ko je QH strošek, ki ga imamo za nakup in kurjenje goriva. Kot ljudje, ki si vedno želimo doseči največji možni dobiček in čim manjše stroške, resnično upamo, da bo dobiček, ki ga dosežemo (W), sorazmeren s stroški, ki jih imamo (QH). Je to mogoče?
Na podlagi zakona o ohranitvi energije mora biti vnesena toplota (Q H ) enaka opravljenemu delu (W) + sproščeni toploti (Q L ). Matematično:
Za izražanje izkoristka toplotnega stroja v odstotkih preprosto pomnožimo enačbo izkoristka s 100 %. Na podlagi zgornje enačbe izkoristka velja, da več toplote (Q L ) toplotni stroj odda, manjša je njegova učinkovitost. Zelo si želimo, da bi bilo oddane toplote (Q L ) čim manj. Vendar pa se dovod toplote (Q H ) običajno pridobi s kurjenjem nafte, premoga, plina itd. (goriv, za katera plačujemo).
Zato je vsak toplotni stroj v bistvu zasnovan tako, da je čim bolj učinkovit. Čeprav si želimo največje možne koristi z najmanjšimi možnimi stroški, je resničnost takšna, da so parni stroji običajno približno 40-odstotni, medtem ko so motorji z notranjim zgorevanjem približno 50-odstotni. To pomeni, da se polovica toplote, ki nastane pri zgorevanju goriva, izgubi. Le polovica se pretvori v mehansko energijo.
Primer vprašanja 1:
Toplotni stroj absorbira 3000 joulov toplote (Q H ), opravi delo (W) in sprosti 2500 joulov toplote (Q L ). Kakšen je izkoristek toplotnega stroja?
Razprava
Primer vprašanja 2:
Toplotni stroj absorbira 3000 joulov toplote (Q H ), opravi delo (W) in sprosti 2000 joulov toplote (Q L ). Kakšen je izkoristek toplotnega stroja?
Razprava
Primer vprašanja 3:
Toplotni stroj absorbira 3000 joulov toplote (Q H ), opravi delo (W) in sprosti 1500 joulov toplote (Q L ). Kakšen je izkoristek toplotnega stroja?
Razprava
