För att förklara de irreversibla termodynamiska processerna formulerade forskarna termodynamikens andra lag. Den andra lagen förklarar vilka processer som kan ske i universum och vilka processer som inte kan ske. En forskare vid namn RJE Clausius (1822-1888) gjorde följande uttalande:
Naturligtvis rör sig värme från föremål med hög temperatur till föremål med låg temperatur; naturligtvis rör sig värme inte från föremål med låg temperatur till föremål med hög temperatur (termodynamikens andra lag - Clausius uttalande).
Clausius påstående är ett av de speciella påståendena i termodynamikens andra huvudsats. Det kallas ett speciellt påstående eftersom det endast gäller en process, relaterad till värmeöverföring. Eftersom detta påstående inte är relaterat till andra processer behöver vi ett mer generellt påstående. Utvecklingen av ett generellt påstående i termodynamikens andra huvudsats baseras på studiet av värmemotorer. Därför diskuterar vi motorvärme först.
Värmemotor
Mycket av den energi vi använder kommer från kemisk potentiell energi som finns i petroleum, gas och kol. Kemisk potentiell energi som används för att användas direkt måste först förbrännas. Vanligtvis producerar förbränning av fossila bränslen (olja, gas och kol) värme. Värme kan användas direkt för att laga mat eller värma upp rum. För att flytta något (till exempel ett fordon) måste vi omvandla värme till kinetisk energi eller mekanisk energi (mekanisk energi = potentiell energi + kinetisk energi).
Ett verktyg som använder värme för att utföra arbete upptäcktes år 1700. Det var en ångmaskin. Ångmaskinen användes först för att pumpa ut vatten ur en kolgruva.
Användningen av ångmaskiner beror på att ånga kan förflytta saker. Ångmaskiner inkluderar en värmemotor (en värmemotor är ett verktyg för att omvandla värme till mekanisk energi). Nu används ångmaskiner för att generera elektrisk energi. Moderna värmemotorer är förbränningsmotorer som bilmotorer, motorcykelmotorer etc.
Grundtanken bakom användningen av värmemotorer är att värme kan omvandlas till mekanisk energi om värme tillåts flöda från höga temperaturer till låga temperaturer. Under denna process omvandlas en del värme till mekanisk energi (en del värme används för att utföra arbetet), en del värme avges på platser med låg temperatur. Processen att ändra formen på energi och energiöverföring i värmemotorn ser ut som i detta diagram.
Hög temperatur (TH) och låg temperatur (TL) kallas maskinens driftstemperatur. QH är värmen som flödar från den höga temperaturen, medan QL är värme som flödar till en plats med låg temperatur. När värmen flödar från höga temperaturer till låga temperaturer omvandlas en del värme till mekanisk energi (används för arbete), en del värme avyttras som QLAll värme kan inte omvandlas till arbete (W), det finns alltid värme som frigörs (QL). Således, baserat på energins bevarande, QH = W + QL.
Det finns flera värmemotorer, inklusive ångmotorer och förbränningsmotorer.
Ångmotor
Ångmaskiner använder vattenånga som värmeöverföringsmedium. Ånga är arbetsvätska. Det finns två typer av ångmaskiner: alternerande ångmaskiner och turbinångmaskiner. Konstruktionen av denna motor skiljer sig åt, men dessa två typer av ångmaskiner använder ånga som värms upp genom att bränna olja, gas, kol eller genom att använda kärnenergi.
Förbränningsmotorer
Motorcykelmotorer och bilmotorer är exempel på förbränningsmotorer. De kallas för förbränningsmotor eftersom förbränningsprocessen sker inuti slutna cylindrar. Förekomsten av en förbränningsmotor är resultatet av det tekniska konceptet adiabatisk kompression och expansion.
Värmemotorns effektivitet
Värmemotorns verkningsgrad (e) är en jämförelse mellan arbete (W) som utförs av maskinen med en värmetillförsel vid hög temperatur (Q H ).
W är den erhållna vinsten, medan QH är kostnaden för att köpa och förbränna bränsle. Som människor som alltid vill uppnå maximal vinst och minsta möjliga utgift, hoppas vi att vinstökningen (W) är proportionell mot den kostnad vi spenderar (QH ) . Kan det hända?
Baserat på energins bevarande måste värme (QH ) vara lika med arbete (W) + avgiven värme (QL ).
Ersätt W i ekvation 1 med W i ekvation 2
Detta är ekvationen för värmemotorns verkningsgrad.
Fråga 1:
En värmemotor absorberar 3000 joule (Q₂H ) värme, utför arbete (W) och avleder 2500 joule (Q₂L ) värme. Beräkna motorns värmeeffektivitet.
Lösning
Värmemotorns verkningsgrad = 17 %.
Fråga 2:
En värmemotor absorberar 3000 joule värme (QH ) , utför arbete (W) och avleder 2000 joule värme (QL ) . Beräkna värmemotorns verkningsgrad.
Lösning
Värmemotorns verkningsgrad = 34 %.
Fråga 3:
En värmemotor absorberar 3000 joule värme (QH ) , utför arbete (W) och avger så mycket som 1500 joule värme (QL ) . Beräkna verkningsgraden hos en värmemotor?
Lösning
Värmemotorns verkningsgrad = 50 %.
