Чланак о другом закону термодинамике
Сви природни процеси се одвијају само у једном смеру, али се не могу одвијати у супротном смеру, што се обично назива неповратним процесима. Након што се ослободи од стабљике и слободно падне на земљу, манго се више никада не помера навише. Књига коју гурамо, а затим се заустави, никада се не враћа ка нама. Ако додирнемо објекат високе температуре (врући објекат) са објектом ниске температуре (хладним објектом), топлота природно тече од објекта високе температуре до објекта ниске температуре. Никада не видимо обрнути процес, где се топлота природно креће од хладног објекта до врућег објекта. Ако би се овај процес догодио, хладни објекат би постао хладнији, док би врући објекат постао топлији. Али у стварности, није тако. Постоји много неповратних процеса који се чине различитим једни од других, али сви они укључују промене у облику енергије и пренос енергије са једног објекта на други.
На пример, деси се снажан земљотрес који узрокује урушавање зграда (зграде се урушавају због енергије коју носе земљотресни таласи). Да ли сте икада видели како се сваки део срушене зграде поново саставља и стоји усправно као пре? Или, на пример, чаша падне на под и разбије се... Да ли сте икада видели како се фрагменти стакла разбацани по поду поново састављају и формирају чашу која је цела као пре? Никада се није десило... има много других примера.
Да би објаснили термодинамичке процесе који се одвијају само у једном смеру (неповратни процеси), научници су формулисали други закон термодинамике. Други закон термодинамике објашњава који процеси се могу одвијати у универзуму, а који не. Један научник по имену Р.Ј.Е. Клаузијус (1822–1888) дао је следећу изјаву:
Топлота се сама по себи креће од објекта високе температуре до објекта ниске температуре; топлота се неће сама по себи кретати од објекта ниске температуре до објекта високе температуре (Други закон термодинамике – Клаузијусова изјава).
Клаузијусова изјава је посебна изјава другог закона термодинамике. Назива се посебном изјавом јер се примењује само на један процес, наиме пренос топлоте. Пошто се ова изјава не односи на друге процесе, потребна нам је општија изјава. Развој опште изјаве другог закона термодинамике делимично је заснован на проучавању топлотних мотора. Стога ћемо прво размотрити топлотне моторе.
ТОПЛОТНИ МОТОРИ
Велики део енергије коју користимо потиче од хемијске потенцијалне енергије садржане у нафти, гасу и угљу. Хемијска потенцијална енергија садржана у нафти, гасу или угљу не може се директно користити. Нафта, гас или угаљ морају прво да се сагоре. Типично, сагоревање фосилних горива (нафта, гас и угаљ) производи топлоту. Топлота се може директно користити за кување хране и грејање просторије. Да бисмо нешто померили (на пример, да бисмо померили возило), морамо претворити топлоту у кинетичку енергију или механичку енергију (механичка енергија = потенцијална енергија + кинетичка енергија). Претварање механичке енергије у топлоту је веома лак посао, али претварање топлоте у механичку енергију је тешко. Покушајте да протрљате дланове један о други... дланови су вам врући, зар не? Када протрљамо дланове један о други (вршимо рад), механичка енергија се претвара у топлоту. Процес је веома једноставан... Чак се и бесконачна топлота може произвести вршењем рада. Али обрнути процес, наиме коришћење топлоте за вршење рада, је тежак.
Уређај који се користи за искоришћавање топлоте за обављање рада изумен је тек 1700. године. У питању је била парна машина. Парне машине су први пут коришћене за пумпање воде из рудника угља. Важно је напоменути да се прва употреба парних машина догодила пре него што су научници знали да је топлота заправо енергија која се преноси због температурних разлика (први закон термодинамике још није био формулисан).
Употреба парних машина у то време вероватно је била заснована на свакодневном искуству које је показивало да пара може да покреће ствари. Парне машине се сматрају топлотним машинама (топлотна машина = уређај за претварање топлоте у механичку енергију). Данас се парне машине користе за производњу електричне енергије. Модерне топлотне машине су мотори са унутрашњим сагоревањем (аутомобилски мотори, мотори мотоцикала итд.).
Основна идеја која стоји иза коришћења топлотне машине је да се топлота може претворити у механичку енергију само ако јој се дозволи да тече из подручја високе температуре у подручје ниске температуре. Током овог процеса, део топлоте се претвара у механичку енергију (део топлоте се користи за обављање рада), док се део топлоте одводи у подручје ниске температуре. Процес конверзије енергије и преноса енергије у топлотној машини приказан је на дијаграму.
Висока температура (TH) и ниска температура (TL) се назива и радна температура мотора. Топлота која струји са места са високом температуром означена је симболом QH, док се топлота која се ослобађа на место са ниском температуром обележава симболом QL. Приликом течења са места високе температуре на место ниске температуре, неки QH претвара се у механичку енергију (користи се за обављање рада), део се ослобађа као QLЗаправо се заиста надамо да ће сви QH може се претворити у W, али свакодневно искуство показује да је то немогуће. Увек долази до губитка извесне количине топлоте. Дакле, на основу закона очувања енергије, може се закључити да је QH = W + QL.
Сада ћемо прегледати топлотну машину која се обично користи за претварање топлоте у механичку енергију. Важно је напоменути да разматрамо само топлотне машине које обављају континуирани рад. Да би се рад обављао континуирано, топлота мора континуирано да тече из подручја високе температуре у подручје ниске температуре. Ако топлота тече само једном, рад који топлотна машина обави биће такође обављен само једном (произведена механичка енергија биће веома мала). Стога се топлотна машина не може оптимално користити. Топлотна машина се може оптимално користити ако континуирано обавља рад. Другим речима, механичка енергија коју производи топлотна машина је довољна да се користи за померање нечега.
Парна машина
Парне машине користе водену пару као медијум за пренос топлоте. Пара се назива радном супстанцом парне машине. Постоје две врсте парних машина: клипне парне машине и турбинске парне машине (парне турбине). Њихови дизајни се мало разликују, али обе врсте деле сличности: користе пару загрејану сагоревањем нафте, гаса, угља или нуклеарне енергије.
Клипна парна машина
Вода у посуди се обично загрева под високим притиском. Пошто се загрева под високим притиском, процес кључања се одвија на високој температури. Температура је директно пропорционална притиску. Што је температура паре виша, то је већи притисак паре. Ова пара високе температуре или високог притиска креће се кроз улазни вентил и шири се уз клип. Док се шири, пара гура клип, узрокујући његово померање удесно.
Део топлоте у пари се претвара у кинетичку енергију. Када се клип помера удесно, точак повезан са клипом се окреће (1). Након пола обртаја, точак враћа клип у првобитни положај (2). Када се клип помера улево, улазни вентил се аутоматски затвара, док се издувни вентил аутоматски отвара. Пара се кондензује кондензатором, претварајући се у росу. Затим се вода у кондензатору пумпа назад у посуду да поново прокључа. И тако даље… Пошто се процес понавља, клип се континуирано помера удесно и улево. Пошто се клип континуирано помера удесно и улево, и точак се континуирано окреће. Ротација точка се обично користи за померање нечега.
Парна турбина
Принцип рада парне турбине је у суштини исти као и код клипне парне машине. Разлика је у томе што клипна парна машина користи клип, док парна турбина користи турбину. Код клипне парне машине, топлота се прво претвара у транслациону кинетичку енергију клипа. Након тога, транслациона кинетичка енергија клипа се претвара у ротациону кинетичку енергију ротирајућег точка. Код парне турбине, топлота се директно претвара у ротациону кинетичку енергију турбине. Турбина може да се окреће због разлике у притиску. Температура паре изнад лопатице је много виша од температуре паре испод лопатице. Лопатица је танка плоча која се налази у центру турбине. Температура је директно пропорционална притиску. Пошто је температура паре изнад лопатице виша од температуре паре испод лопатице, притисак паре изнад лопатице је већи од притиска испод лопатице. Ова разлика у притиску узрокује да пара гура лопатицу надоле, што узрокује ротацију турбине. Смер ротације турбине је приказан на слици.
Важно је напоменути да се принцип рада парне машине заснива на дијаграму преноса енергије објашњеном горе. У овом случају, механичка енергија се може генерисати тако што се топлота преноси са објекта или места са високом температуром на објекат или место са ниском температуром. Стога је температурна разлика неопходна код парне машине.
Ако обратите пажњу на то како ради клипна парна машина, приметићете да се клип и даље може померати лево и десно иако нема температурне разлике (нема кондензатора или пумпе). Клип се може померати десно због ширења паре високе температуре или високог притиска. У овом случају, део топлоте у пари се претвара у транслациону кинетичку енергију клипа. Ова транслациона кинетичка енергија клипа се затим претвара у ротациону кинетичку енергију ротирајућег точка. Након завршетка пола обртаја, точак гура клип назад улево. Када точак гура клип назад улево, ротациона кинетичка енергија точка се поново претвара у транслациону кинетичку енергију клипа. Како се клип креће улево, он избацује пару у цилиндру. Истовремено, издувни вентил се отвара.
Дакле, пара коју гура клип ће гурнути свог пријатеља испод издувног вентила. Сада, ако је температура паре испод издувног вентила једнака температури паре коју гура клип, онда ће се сва транслациона кинетичка енергија клипа претворити назад у унутрашњу енергију паре. Унутрашња енергија је директно пропорционална температури. Ако се унутрашња енергија паре повећа, температура паре се повећава. Температура је директно пропорционална притиску. Ако се температура паре повећа, притисак паре се такође повећава. Дакле, притисак паре која се ослобађа кроз издувни вентил једнак је притиску паре која улази кроз улазни вентил. Клип ће наставити да се континуирано креће десно и лево, али неће бити укупне кинетичке енергије која се може искористити (неће бити произведеног укупног рада). Дакле, кинетичка енергија коју клип прими током процеса експанзије (клип се креће удесно) биће враћена пари током процеса компресије (клип се креће улево).
Закључено је да је температурна разлика у парној машини и даље неопходна. Ова температурна разлика у парној машини може се постићи коришћењем кондензатора. Када су температура и притисак паре испод издувног вентила много нижи од температуре и притиска паре у цилиндру, онда када се клип помера назад улево, количина притиска коју клип врши на пару је много мања од количине притиска коју пара врши на клип када се клип помера удесно. Другим речима, количина рада коју клип обавља на пари је много мања од количине рада коју пара обавља на клипу. Дакле, само мали део кинетичке енергије клипа се враћа пари. Дакле, постојаће укупна кинетичка енергија или укупан произведени рад. Ова укупна кинетичка енергија се користи за померање нечега.
Мотор са унутрашњим сагоревањем
Мотори мотоцикала и аутомобила су примери мотора са унутрашњим сагоревањем. Називају се мотори са унутрашњим сагоревањем јер се процес сагоревања одвија унутар затвореног цилиндра. Мотори са унутрашњим сагоревањем су резултат инжењерске концепције адијабатске компресије и експанзије, објашњене у првом закону термодинамике.
Разматраћемо само моторе са унутрашњим сагоревањем који користе бензин и дизел као гориво. Бензин и дизел су нафтни производи и стога поседују хемијску потенцијалну енергију. Хемијска потенцијална енергија у бензину и дизелу се прво претвара у топлоту кроз процес сагоревања. Топлота произведена сагоревањем се затим претвара у механичку енергију. Ова механичка енергија је оно што омогућава кретање мотоцикла или аутомобила. Циклус у бензинском мотору назива се Отов циклус, док се циклус у дизел мотору назива дизел циклус. Циклус је реверзибилан термодинамички процес. Хајде прво да разговарамо о Отовом циклусу.
Отов циклус
Ово је дијаграм четворотактног мотора са унутрашњим сагоревањем. Смеша ваздуха и бензинске паре тече из карбуратора у цилиндар док се клип креће надоле (усисни такт). Смеша ваздуха и бензинске паре у цилиндру се затим адијабатски компресује док се клип креће нагоре (компресијски такт). Пошто се адијабатски компресује, температура и притисак смеше се повећавају. Истовремено, свећица пали смешу, палећи је. Како сагорева, температура и притисак гаса се повећавају. Гас високе температуре и високог притиска се шири уз клип, гурајући га надоле (експанзиони такт). Сагорели гас се затим ослобађа кроз издувни вентил и усмерава ка издувној цеви (издувни такт). Усисни вентил се поново отвара и четири такта се понављају.
Важно је напоменути да је сврха адијабатског такта компресије повећање температуре и притиска смеше паре ваздуха и бензина. Сагоревање под високим притиском производи веома високе температуре и притиске. Сходно томе, потисак (F = PA) генерисан током процеса експанзије је веома велики. То доводи до тога да мотор мотоцикла или аутомобила постаје снажнији. Чак и без компресије, смеша паре ваздуха и бензина може се запалити када свећица произведе варницу. Међутим, температура и притисак сагорелог гаса нису веома високи, па је резултујући потисак такође мали. Као резултат тога, мотор постаје мање снажан.
Процес трансформације енергије и преноса енергије у четворотактном мотору са унутрашњим сагоревањем може се објаснити на следећи начин: Током сагоревања, хемијска потенцијална енергија у бензину и енергија у ваздуху се претварају у топлоту. Део топлоте се претвара у механичку енергију у клипњачи и радилици, док се део ослобађа кроз издувну цев. Већина механичке енергије у клипњачи и радилици се претвара у механичку енергију у возилу (кретање возила), док се мали део претвара у топлоту. Топлота настаје трењем.
Адијабатски процес експанзије и компресије у Отовом циклусу може се илустровати дијаграмом испод. Овај дијаграм приказује идеализовани модел термодинамичких процеса који се одвијају у мотору са унутрашњим сагоревањем који покреће бензин.
Смеша ваздуха и бензинске паре улази у цилиндар (а). Смеша ваздуха и бензинске паре се затим адијабатски компресује (а-б). Треба напоменути да се запремина цилиндра смањује. Смеша ваздуха и бензинске паре се загрева при константној запремини – смеша сагорева (б-ц). Сагорели гас се шири адијабатски (ц-д). Хлађење при константној запремини – сагорели гас се испушта у издувну цев и нова смеша ваздуха и бензинске паре улази у цилиндар (д-а).
Смеша ваздуха и бензинске паре улази у цилиндар (а). Смеша ваздуха и бензинске паре се затим адијабатски компресује (а-б). Треба напоменути да се запремина цилиндра смањује. Смеша ваздуха и бензинске паре се загрева при константној запремини – смеша сагорева (б-ц). Сагорели гас се шири адијабатски (ц-д). Хлађење при константној запремини – сагорели гас се испушта у издувну цев и нова смеша ваздуха и бензинске паре улази у цилиндар (д-а).
Дизел циклус
Принцип рада дизел мотора је сличан принципу рада бензинског мотора. Разлика лежи у почетном кораку адијабатске компресије (адијабатска компресија = компресија која се врши тако брзо да топлота нема времена да уђе или изађе из система. Систем је у овом случају цилиндар). Док се код бензинског мотора компримује смеша ваздуха и бензинске паре, код дизел мотора се компримује само ваздух. Адијабатска компресија узрокује повећање температуре и притиска ваздуха. Затим, инјектор, односно убризгавач, прска дизел. Пошто су температура и притисак ваздуха већ веома високи, када се дизел убризга у цилиндар, дизел се одмах пали. Није потребна свећица. Обратите пажњу на вредност притиска приказану на дијаграму испод. Упоредите је са вредношћу притиска приказаном на Отовом циклусном дијаграму.
Овај дијаграм приказује идеалан циклус дизел мотора. У почетку се ваздух адијабатски компримује (а-б), затим загрева при константном притиску – млазница прска дизел и долази до сагоревања (б-ц), сагорели гас се адијабатски шири (ц-д), хлади се при константној запремини – сагорели гас се избацује кроз издувну цев, а свеж ваздух улази у цилиндар (д-а).
На основу горе наведеног објашњења, може се закључити да свака топлотна машина у основи има специфичну радну супстанцу. Радна супстанца за парну машину је вода, радна супстанца за бензински мотор је ваздух и бензинска пара, радна супстанца за дизел мотор је ваздух и дизел. Радна супстанца обично апсорбује топлоту на високој температури (Q H ), обавља рад (W ), а затим ослобађа преосталу топлоту на нижој температури (Q L ). Пошто се енергија чува, онда је Q H = W + Q L.
Ефикасност топлотног мотора
Коефицијент корисности (e) топлотне машине је однос између рада (W) који мотор обавља и унетог топлотног уноса на високој температури (Q H ). Математички, то се може написати овако:
W је профит који остварујемо, док је QH трошак који сносимо за куповину и сагоревање горива. Као људи који увек желе да остваре највећи могући профит и најмањи могући трошак, заиста се надамо да је профит који остваримо (W) сразмеран трошку који сносимо (QH). Да ли је то могуће?
На основу закона очувања енергије, унета топлота (Q H ) мора бити једнака обављеном раду (W) + ослобођеној топлоти (Q L ). Математички:
Да бисте изразили ефикасност топлотне машине у процентима, једноставно помножите једначину ефикасности са 100%. На основу горње једначине ефикасности, што више топлоте одведе (QL ) топлотна машина, то је мање ефикасна. Веома бисмо волели да имамо што мање одведене топлоте (QL ) . Међутим, унета топлота (QH ) се обично добија сагоревањем нафте, угља, гаса итд. (горива која плаћамо).
Стога је свака топлотна машина у суштини пројектована да буде што ефикаснија. Иако желимо највећу могућу корист уз најмање могуће трошкове, стварност је да су парне машине обично ефикасне око 40%, док су мотори са унутрашњим сагоревањем око 50%. То значи да се половина топлоте произведене сагоревањем горива губи. Само половина се претвара у механичку енергију.
Пример питања 1:
Топлотна машина апсорбује 3000 џула топлоте (Q H ), обавља рад (W) и ослобађа 2500 џула топлоте (Q L ). Колика је ефикасност топлотне машине?
Пембахасан
Пример питања 2:
Топлотна машина апсорбује 3000 џула топлоте (Q H ), обавља рад (W) и ослобађа 2000 џула топлоте (Q L ). Колика је ефикасност топлотне машине?
Пембахасан
Пример питања 3:
Топлотна машина апсорбује 3000 џула топлоте (Q H ), обавља рад (W) и ослобађа 1500 џула топлоте (Q L ). Колика је ефикасност топлотне машине?
Пембахасан
