Artikel om termodynamikens andra lag
Alla naturligt förekommande processer sker endast i en riktning men kan inte ske i motsatt riktning, vanligtvis kallade irreversibla processer. Efter att ha släppts från sin stjälk och fallit fritt till marken rör sig en mango aldrig uppåt igen. En bok som vi knuffar och sedan stannar rör sig aldrig tillbaka mot oss. Om vi vidrör ett högtemperaturobjekt (hett objekt) med ett lågtemperaturobjekt (kallt objekt), flödar värme naturligt från högtemperaturobjektet till lågtemperaturobjektet. Vi ser aldrig den omvända processen, där värme naturligt rör sig från ett kallt objekt till ett varmt objekt. Om denna process inträffade skulle det kalla objektet bli kallare, medan det varma objektet skulle bli varmare. Men i verkligheten är det inte så. Det finns många irreversibla processer som verkar olika varandra, men de involverar alla förändringar i form av energi och överföring av energi från ett objekt till ett annat.
Till exempel inträffar en kraftig jordbävning som får byggnader att kollapsa (byggnader kollapsar på grund av energin som bärs av jordbävningsvågorna). Har du någonsin sett varje del av den kollapsade byggnaden komma ihop igen och stå upprätt som tidigare? Eller till exempel ett glas faller ner på golvet och går sönder... Har du någonsin sett glasfragmenten som är utspridda på golvet komma ihop igen och bilda ett glas som är helt som tidigare? Det har aldrig hänt... det finns många andra exempel.
För att förklara termodynamiska processer som sker i endast en riktning (irreversibla processer) formulerade forskare termodynamikens andra huvudsats. Den andra huvudsatsen förklarar vilka processer som kan ske i universum och vilka som inte kan. En forskare vid namn RJE Clausius (1822‐1888) gjorde följande uttalande:
Värme rör sig av sig själv från ett föremål med hög temperatur till ett föremål med låg temperatur; värme rör sig inte av sig själv från ett föremål med låg temperatur till ett föremål med hög temperatur (termodynamikens andra lag – Clausius uttalande).
Clausius påstående är ett särskilt påstående i termodynamikens andra lag. Det kallas ett särskilt påstående eftersom det endast gäller en process, nämligen värmeöverföring. Eftersom detta påstående inte relaterar till andra processer behöver vi ett mer generellt påstående. Utvecklingen av det allmänna påståendet i termodynamikens andra lag baserades delvis på studiet av värmemotorer. Därför kommer vi att diskutera värmemotorer först.
VÄRMEMOTOR
Mycket av den energi vi använder kommer från den kemiska potentiella energin som finns i petroleum, gas och kol. Den kemiska potentiella energin som finns i petroleum, gas eller kol kan inte användas direkt. Petroleum, gas eller kol måste först förbrännas. Vanligtvis producerar förbränning av fossila bränslen (petroleum, gas och kol) värme. Värme kan användas direkt för att laga mat och värma upp ett rum. För att flytta något (till exempel för att flytta ett fordon) måste vi omvandla värme till kinetisk energi eller mekanisk energi (mekanisk energi = potentiell energi + kinetisk energi). Att omvandla mekanisk energi till värme är ett mycket enkelt jobb, men att omvandla värme till mekanisk energi är svårt. Försök att gnugga handflatorna mot varandra... dina handflator är varma, eller hur? När vi gnuggar våra handflator mot varandra (vi utför arbete) omvandlas mekanisk energi till värme. Processen är mycket enkel... Även oändlig värme kan produceras genom att utföra arbete. Men den omvända processen, nämligen att använda värme för att utföra arbete, är svår.
En anordning som användes för att utnyttja värme för att utföra arbete uppfanns först år 1700. Anordningen i fråga var ångmaskinen. Ångmaskiner användes först för att pumpa ut vatten ur kolgruvor. Det är viktigt att notera att den första användningen av ångmaskiner skedde innan forskare visste att värme faktiskt är energi som överförs på grund av temperaturskillnader (termodynamikens första lag hade ännu inte formulerats).
Användningen av ångmaskiner på den tiden baserades troligen på vardagliga erfarenheter som visade att ånga kunde förflytta saker. Ångmaskiner betraktas som värmemaskiner (en värmemaskin = en anordning för att omvandla värme till mekanisk energi). Idag används ångmaskiner för att generera elektrisk energi. Moderna värmemaskiner är förbränningsmotorer (bilmotorer, motorcykelmotorer etc.).
Grundtanken bakom att använda en värmemotor är att värme kan omvandlas till mekanisk energi endast om den tillåts flöda från ett högtemperaturområde till ett lågtemperaturområde. Under denna process omvandlas en del av värmen till mekanisk energi (en del av värmen används för att utföra arbete), medan en del av värmen avges till lågtemperaturområdet. Processen för energiomvandling och energiöverföring i en värmemotor visas i diagrammet.
Hög temperatur (TH) och låg temperatur (TL) kallas även motorns driftstemperatur. Värme som flödar från en plats med hög temperatur ges symbolen QH, medan värmen som frigörs till en plats med låg temperatur ges symbolen QL. När man flyter från en plats med hög temperatur till en plats med låg temperatur,H omvandlas till mekanisk energi (används för att utföra arbete), en del av den frigörs som QLVi hoppas verkligen att alla QH kan omvandlas till W, men vardaglig erfarenhet visar att detta är omöjligt. Det går alltid en del värme förlorad. Baserat på energins bevarande kan man således dra slutsatsen att QH = W + QL.
Låt oss nu granska en värmemotor som vanligtvis används för att omvandla värme till mekanisk energi. Det är viktigt att notera att vi bara tittar på värmemotorer som utför kontinuerligt arbete. För att arbete ska kunna utföras kontinuerligt måste värme flöda kontinuerligt från ett område med hög temperatur till ett område med låg temperatur. Om värme bara flödar en gång, kommer arbetet som utförs av värmemotorn också bara att utföras en gång (den producerade mekaniska energin kommer att vara mycket liten). Därför kan värmemotorn inte utnyttjas optimalt. En värmemotor kan utnyttjas optimalt om den utför arbete kontinuerligt. Med andra ord är den mekaniska energin som produceras av värmemotorn tillräcklig för att användas för att flytta något.
Ångmaskin
Ångmaskiner använder vattenånga som värmeöverföringsmedium. Ånga kallas för den arbetssubstans som används i en ångmaskin. Det finns två typer av ångmaskiner: kolvångmaskiner och turbinångmaskiner (ångturbiner). Deras konstruktion skiljer sig något åt, men båda typerna har likheter: de använder ånga som värms upp genom att bränna olja, gas, kol eller kärnenergi.
Ångmaskin av fram- och återgående typ
Vatten i en behållare värms vanligtvis upp vid högt tryck. Eftersom det värms upp vid högt tryck sker kokningsprocessen vid hög temperatur. Temperaturen är direkt proportionell mot trycket. Ju högre ångans temperatur är, desto högre är ångtrycket. Denna högtemperatur- eller högtrycksånga rör sig genom inloppsventilen och expanderar mot kolven. När den expanderar trycker ångan på kolven, vilket får den att röra sig åt höger.
En del av värmen i ångan omvandlas till kinetisk energi. När kolven rör sig åt höger roterar hjulet som är anslutet till kolven (1). Efter ett halvt varv trycker hjulet tillbaka kolven till sitt ursprungliga läge (2). När kolven rör sig åt vänster stängs inloppsventilen automatiskt, medan avgasventilen öppnas automatiskt. Ångan kondenseras av kondensorn och omvandlas till dagg. Därefter pumpas vattnet i kondensorn tillbaka in i behållaren för att kokas upp igen. Och så vidare… Eftersom processen sker upprepade gånger rör sig kolven kontinuerligt åt höger och vänster. Eftersom kolven rör sig kontinuerligt åt höger och vänster roterar även hjulet kontinuerligt. Hjulets rotation används vanligtvis för att flytta något.
Ångturbin
En ångturbins arbetssätt är i huvudsak densamma som för en kolvångmaskin. Skillnaden är att en kolvångmaskin använder en kolv, medan en ångturbin använder en turbin. I en kolvångmaskin omvandlas värme först till translationell kinetisk energi hos kolven. Därefter omvandlas kolvens translationella kinetiska energi till rotationskinetisk energi hos det roterande hjulet. I en ångturbin omvandlas värme direkt till rotationskinetisk energi hos turbinen. Turbinen kan rotera på grund av en tryckskillnad. Ångans temperatur ovanför bladet är mycket högre än ångans temperatur under bladet. Bladet är en tunn platta som är placerad i mitten av turbinen. Temperaturen är direkt proportionell mot trycket. Eftersom ångans temperatur ovanför bladet är högre än ångans temperatur under bladet, är ångtrycket ovanför bladet större än trycket under bladet. Denna tryckskillnad får ångan att trycka bladet nedåt, vilket får turbinen att rotera. Turbinens rotationsriktning visas i figuren.
Det är viktigt att notera att en ångmaskins funktionsprincip är baserad på energiöverföringsdiagrammet som förklarats ovan. I detta fall kan mekanisk energi genereras genom att låta värme flöda från ett föremål eller en plats med hög temperatur till ett föremål eller en plats med låg temperatur. Därför är en temperaturskillnad avgörande i en ångmaskin.
Om du uppmärksammar hur en kolvångmaskin fungerar, kommer du att märka att kolven fortfarande kan röra sig åt vänster och höger även om det inte finns någon temperaturskillnad (ingen kondensor eller pump). Kolven kan röra sig åt höger på grund av expansionen av högtemperatur- eller högtrycksånga. I detta fall omvandlas en del av värmen i ångan till translationell kinetisk energi hos kolven. Denna translationella kinetiska energi hos kolven omvandlas sedan till rotationskinetisk energi hos det roterande hjulet. Efter att ha fullbordat ett halvt varv trycker hjulet kolven tillbaka åt vänster. När hjulet trycker kolven tillbaka åt vänster omvandlas hjulets rotationskinetiska energi återigen till translationell kinetisk energi hos kolven. När kolven rör sig åt vänster trycker den ut ångan i cylindern. Samtidigt öppnas avgasventilen.
Således kommer ångan som trycks av kolven att trycka sin vän under avgasventilen. Om temperaturen på ångan under avgasventilen är lika med temperaturen på ångan som trycks av kolven, kommer all kolvens translationella kinetiska energi att omvandlas tillbaka till ångans inre energi. Den inre energin är direkt proportionell mot temperaturen. Om ångans inre energi ökar, ökar ångans temperatur. Temperaturen är direkt proportionell mot trycket. Om ångans temperatur ökar, ökar också ångans tryck. Således är trycket på ångan som släpps ut genom avgasventilen lika med trycket på ångan som kommer in genom inloppsventilen. Kolven kommer att fortsätta att röra sig kontinuerligt åt höger och vänster, men det kommer inte att finnas någon total kinetisk energi som kan utnyttjas (inget totalt producerat arbete). Så den kinetiska energin som kolven tar emot under expansionsprocessen (kolven rör sig åt höger) kommer att återföras till ångan under kompressionsprocessen (kolven rör sig åt vänster).
Slutsatsen är att en temperaturskillnad i en ångmaskin fortfarande är nödvändig. Denna temperaturskillnad i en ångmaskin kan uppnås genom att använda en kondensor. När temperaturen och trycket hos ångan under avgasventilen är mycket lägre än temperaturen och trycket hos ångan i cylindern, och när kolven rör sig tillbaka åt vänster, är mängden tryck som kolven utövar på ångan mycket mindre än mängden tryck ångan utövar på kolven när den rör sig åt höger. Med andra ord är mängden arbete som kolven utför på ångan mycket mindre än mängden arbete ångan utför på kolven. Så endast en liten del av kolvens kinetiska energi återförs till ångan. Således kommer det att produceras total kinetisk energi eller totalt arbete. Denna totala kinetiska energi används för att flytta något.
Förbränningsmotor
Motorcyklar och bilmotorer är exempel på förbränningsmotorer. De kallas förbränningsmotorer eftersom förbränningsprocessen sker inuti en sluten cylinder. Förbränningsmotorer är resultatet av ingenjörskonst som använder konceptet adiabatisk kompression och expansion, vilket förklarades i föregående avsnitt. termodynamikens första lag.
Vi kommer bara att betrakta förbränningsmotorer som använder bensin och diesel som bränsle. Bensin och diesel är petroleumprodukter och har därför kemisk potentiell energi. Den kemiska potentiella energin i bensin och diesel omvandlas först till värme genom förbränningsprocessen. Värmen som produceras genom förbränning omvandlas sedan till mekanisk energi. Denna mekaniska energi är det som gör att en motorcykel eller bil kan röra sig. Cykeln i en bensinmotor kallas Otto-cykeln, medan cykeln i en dieselmotor kallas dieselcykeln. En cykel är en reversibel termodynamisk process. Låt oss först diskutera Otto-cykeln.
Otto-cykeln
Detta är ett diagram över en fyrtakts förbränningsmotor. En blandning av luft och bensinånga strömmar från förgasaren in i cylindern när kolven rör sig nedåt (insugningsslaget). Blandningen av luft och bensinånga i cylindern komprimeras sedan adiabatiskt när kolven rör sig uppåt (kompressionsslaget). Eftersom den komprimeras adiabatiskt ökar blandningens temperatur och tryck. Samtidigt antänder tändstiftet blandningen och antänder den. När den brinner ökar gasens temperatur och tryck. Den högtemperatur- och högtrycksgasen expanderar mot kolven och trycker den nedåt (expansionsslaget). Den förbrända gasen släpps sedan ut genom avgasventilen och leds mot avgasröret (avgasslaget). Insugningsventilen öppnas igen och de fyra slagen upprepas.
Det är viktigt att notera att syftet med det adiabatiska kompressionsslaget är att öka temperaturen och trycket i luft-bensinångblandningen. Förbränning vid högt tryck producerar mycket höga temperaturer och tryck. Följaktligen är dragkraften (F = PA) som genereras under expansionsprocessen mycket stor. Detta resulterar i att en motorcykel- eller bilmotor blir kraftfullare. Även utan kompression kan luft-bensinångblandningen antändas när tändstiftet producerar en gnista. Temperaturen och trycket i den förbrända gasen är dock inte särskilt höga, så den resulterande dragkraften är också liten. Som ett resultat blir motorn mindre kraftfull.
Processen för energiomvandling och energiöverföring i en fyrtaktsförbränningsmotor kan förklaras enligt följande: Under förbränning omvandlas den kemiska potentiella energin i bensin och energin i luften till värme. En del av värmen omvandlas till mekanisk energi i kolvstången och vevaxeln, medan en del frigörs genom avgasröret. Merparten av den mekaniska energin i kolvstången och vevaxeln omvandlas till mekanisk energi i fordonet (fordonets rörelse), medan en liten del omvandlas till värme. Värme genereras genom friktion.
Den adiabatiska expansions- och kompressionsprocessen i Otto-cykeln kan illustreras med diagrammet nedan. Detta diagram visar en idealiserad modell av de termodynamiska processer som sker i en bensindriven förbränningsmotor.
En blandning av luft och bensinånga kommer in i cylindern (a). Blandningen av luft och bensinånga komprimeras sedan adiabatiskt (a-b). Observera att cylindervolymen minskar. Blandningen av luft och bensinånga värms upp vid konstant volym – blandningen förbränns (b-c). Den förbrända gasen genomgår adiabatisk expansion (c-d). Kylning vid konstant volym – den förbrända gasen släpps ut i avgasröret och en ny blandning av luft + bensinånga kommer in i cylindern (d-a).
En blandning av luft och bensinånga kommer in i cylindern (a). Blandningen av luft och bensinånga komprimeras sedan adiabatiskt (a-b). Observera att cylindervolymen minskar. Blandningen av luft och bensinånga värms upp vid konstant volym – blandningen förbränns (b-c). Den förbrända gasen genomgår adiabatisk expansion (c-d). Kylning vid konstant volym – den förbrända gasen släpps ut i avgasröret och en ny blandning av luft + bensinånga kommer in i cylindern (d-a).
Dieselcykel
Funktionsprincipen för en dieselmotor liknar den för en bensinmotor. Skillnaden ligger i det initiala adiabatiska kompressionssteget (adiabatisk kompression = kompression som sker så snabbt att värme inte hinner flöda in i eller ut ur systemet. Systemet är i detta fall en cylinder). Medan det som komprimeras i en bensinmotor är en blandning av luft och bensinånga, komprimeras endast luften i en dieselmotor. Adiabatisk kompression får luftens temperatur och tryck att öka. Därefter sprutar injektorn, även känd som injektorn, diesel. Eftersom luftens temperatur och tryck redan är mycket höga, antänds dieseln omedelbart när dieseln sprutas in i cylindern. Inga tändstift behövs. Observera tryckvärdet som visas i diagrammet nedan. Bjämför med storleken på trycket som visas i Otto-cykeldiagrammet.
Detta diagram visar en ideal dieselcykel. Inledningsvis komprimeras luften adiabatiskt (a-b), sedan upphettas den vid konstant tryck – injektorn sprutar diesel och förbränning sker (b-c), den förbrända gasen genomgår adiabatisk expansion (c-d), kyls ner vid konstant volym – den förbrända gasen släpps ut genom avgasröret och frisk luft kommer in i cylindern (d-a).
Baserat på förklaringen ovan kan man dra slutsatsen att varje värmemotor i huvudsak har ett specifikt arbetsämne. Arbetsämnet för en ångmotor är vatten, arbetsämnet för en bensinmotor är luft och bensinånga, och arbetsämnet för en dieselmotor är luft och dieselbränsle. Arbetsämnet absorberar vanligtvis värme vid hög temperatur (QH), utför arbete (W) och frigör sedan den återstående värmen vid en lägre temperatur (Q)LEftersom energin bevaras, då är QH = W + QL.
Effektivitet hos värmemotorn
Verkningsgraden (e) för en värmemotor är förhållandet mellan det arbete (W) som utförs av motorn och den värmetillförsel som uppstår vid hög temperatur (Q).HMatematiskt kan det skrivas så här:
W är den vinst vi får, medan Q är den vinst vi får.H är kostnaden vi ådrar oss för att köpa och förbränna bränsle. Som människor som alltid vill uppnå största möjliga vinst och minsta möjliga utgift, hoppas vi verkligen att den vinst vi får (W) står i proportion till den kostnad vi ådrar oss (QH). Är det möjligt?
Baserat på energibevarande, den ingående värmen (QH) måste vara lika med utfört arbete (W) + frigjord värme (Q)LMatematiskt sett:
Om du vill uttrycka en värmemotors verkningsgrad i procent, multiplicera helt enkelt verkningsgradsekvationen med 100%. Baserat på verkningsgradsekvationen ovan, desto mer värme avges (QL) av en värmemotor, desto mindre effektiv är värmemotorn. Vi vill egentligen ha mängden värme som avges (QL) så lite som möjligt. Emellertid är värmetillförseln (QH) erhålls vanligtvis genom att förbränna olja, kol, gas etc. (bränslet vi betalar för).
Därför är varje värmemotor i huvudsak konstruerad för att vara så effektiv som möjligt. Även om vi önskar största möjliga nytta av minsta möjliga kostnad, är verkligheten den att ångmotorer vanligtvis är cirka 40 % effektiva, medan förbränningsmotorer är cirka 50 %. Det innebär att hälften av värmen som produceras vid förbränning av bränsle går till spillo. Endast hälften omvandlas till mekanisk energi.
Exempelfråga 1:
En värmemotor absorberar 3000 joule värme (QH), utför arbete (W) och frigör 2500 joule värme (QL). Vad är värmemotorns verkningsgrad?
Diskussion
Exempelfråga 2:
En värmemotor absorberar 3000 joule värme (QH), utför arbete (W) och frigör 2000 joule värme (QL). Vad är värmemotorns verkningsgrad?
Diskussion
Exempelfråga 3:
En värmemotor absorberar 3000 joule värme (QH), utför arbete (W) och frigör 1500 joule värme (QL). Vad är värmemotorns verkningsgrad?
Diskussion
