Da bi pojasnili ireverzibilne termodinamične procese, so znanstveniki formulirali drugi zakon termodinamike. Drugi zakon termodinamike pojasnjuje, kateri procesi se lahko odvijajo v vesolju in kateri se ne morejo. Znanstvenik po imenu RJE Clausius (1822–1888) je podal naslednjo izjavo:
Seveda se toplota premika od predmetov z visoko temperaturo k predmetom z nizko temperaturo; seveda se toplota ne premika od predmetov z nizko temperaturo k predmetom z visoko temperaturo (drugi zakon termodinamike – Clausiusova trditev).
Clausiusova trditev je ena od posebnih trditev drugega zakona termodinamike. Imenuje se posebna trditev, ker velja le za en proces, povezan s prenosom toplote. Ker ta trditev ni povezana z drugimi procesi, potrebujemo bolj splošno trditev. Razvoj splošne trditve drugega zakona termodinamike temelji na preučevanju toplotnih strojev. Zato najprej obravnavamo toploto motorja.
Toplotni motor
Velik del energije, ki jo uporabljamo, izvira iz kemične potencialne energije, ki jo vsebujejo nafta, plin in premog. Kemična potencialna energija, ki se uporabi za neposredno uporabo, jo je treba najprej požgati. Običajno se pri sežiganju fosilnih goriv (nafte, plina in premoga) proizvaja toplota. Toploto lahko uporabimo neposredno za kuhanje hrane ali ogrevanje prostorov. Da bi nekaj premaknili (na primer premikanje vozila), moramo toploto pretvoriti v kinetično ali mehansko energijo (mehanska energija = potencialna energija + kinetična energija).
Orodje, ki za delo uporablja toploto, je bilo odkrito leta 1700. To je bil parni stroj. Parni stroj so prvič uporabili za črpanje vode iz premogovnika.
Parni stroji se uporabljajo zato, ker lahko para premika stvari. Med parne stroje spadajo toplotni stroji (toplotni stroji so orodja za pretvorbo toplote v mehansko energijo). Danes se parni stroji uporabljajo za proizvodnjo električne energije. Sodobni toplotni stroji so motorji z notranjim zgorevanjem, kot so avtomobilski motorji, motorji motornih koles itd.
Osnovna ideja uporabe toplotnih strojev je, da se toplota lahko pretvori v mehansko energijo, če se toplota pretaka od visokih do nizkih temperatur. Med tem procesom se del toplote pretvori v mehansko energijo (nekaj toplote se porabi za delo), del toplote pa se sprosti na mestih z nizko temperaturo. Proces spreminjanja oblike energije in prenosa energije v toplotnem stroju je videti kot ta diagram.
Visoka temperatura (TH) in nizka temperatura (TL) se imenujejo delovna temperatura stroja. QH je toplota, ki teče iz visoke temperature, medtem ko je QL je toplota, ki teče proti mestu z nizko temperaturo. Pri prehodu iz visokotemperaturnega v nizkotemperaturno območje se del toplote pretvori v mehansko energijo (uporabi se za delo), del toplote pa se odda kot QLVse toplote ni mogoče pretvoriti v delo (W), vedno obstaja toplota, ki se sprosti (QL). Torej, na podlagi zakona o ohranitvi energije, QH = W + QL.
Obstaja več toplotnih strojev, vključno s parnimi stroji in motorji z notranjim zgorevanjem.
Parni motor
Parni stroji uporabljajo vodno paro kot medij za prenos toplote. Para je delovna tekočina. Obstajata dve vrsti parnih strojev: izmenični parni stroji in turbinski parni stroji. Zasnova teh motorjev je različna, vendar ti dve vrsti parnih strojev uporabljata paro, ki se segreva z zgorevanjem nafte, plina, premoga ali z uporabo jedrske energije.
Motorji z notranjim zgorevanjem
Motorji z notranjim zgorevanjem so primeri motorjev z notranjim zgorevanjem. Imenujejo se motorji z notranjim zgorevanjem, ker proces zgorevanja poteka v zaprtih valjih. Prisotnost motorja z notranjim zgorevanjem je rezultat inženirskega koncepta adiabatne kompresije in ekspanzije.
Učinkovitost toplotnega motorja
Izkoristek toplotnega stroja (e) je primerjava med delom (W), ki ga opravi stroj, in vnosom toplote pri visoki temperaturi (QH).
W je prejeti dobiček, medtem ko je QH so stroški nakupa in kurjenja goriva. Kot ljudje, ki si vedno želimo doseči največji dobiček in najmanjše stroške, upamo, da bo povečanje dobička (W) sorazmerno s stroški, ki jih porabimo (QH). Se lahko to zgodi?
Na podlagi ohranjanja energije, toplote (QH) mora biti enako delu (W) + oddani toploti (QL).
V enačbi 1 nadomestite W z W v enačbi 2.
To je enačba izkoristka toplotnega motorja.
Vprašanje 1:
Toplotni stroj absorbira 3000 joulov (QH) toplota, opravi delo (W) in odstrani 2500 joulov (QL) toplota. Izračunajte toplotni izkoristek motorja.
Rešitev
Izkoristek toplotnega motorja = 17 %.
Vprašanje 2:
Toplotni stroj absorbira 3000 Joulov toplote (QH), opravi delo (W) in odvede 2000 Joulov toplote (QL). Izračunajte izkoristek toplotnega stroja.
Rešitev
Izkoristek toplotnega motorja = 34 %.
Vprašanje 3:
Toplotni stroj absorbira 3000 Joulov toplote (QH), opravi delo (W) in odda kar 1500 joulov toplote (QL). Izračunajte izkoristek toplotnega stroja?
Rešitev
Izkoristek toplotnega motorja = 50 %.
