Ili kuelezea michakato ya thermodynamic isiyoweza kurekebishwa, wanasayansi waliunda sheria ya pili ya thermodynamics. Sheria ya pili ya thermodynamics inaelezea michakato gani inaweza kutokea katika ulimwengu na michakato gani haiwezi kutokea. Mwanasayansi mmoja aitwaye RJE Clausius (1822-1888) alitoa kauli ifuatayo:
Kwa kawaida, joto huhama kutoka vitu vyenye joto la juu hadi vitu vyenye joto la chini; kwa kawaida, joto halitoki kutoka vitu vyenye joto la chini hadi vitu vyenye joto la juu (Sheria ya Pili ya thermodynamics—Kauli ya Clausius).
Kauli ya Clausius ni mojawapo ya kauli maalum za sheria ya pili ya thermodynamics. Inaitwa kauli maalum kwa sababu inatumika kwa mchakato mmoja tu, unaohusiana na uhamishaji wa joto. Kwa kuwa kauli hii haihusiani na michakato mingine, tunahitaji kauli ya jumla zaidi. Ukuzaji wa kauli ya jumla ya sheria ya pili ya thermodynamics unategemea utafiti wa injini za joto. Kwa hivyo, tunajadili joto la injini kwanza.
Injini ya Joto
Nishati nyingi tunazotumia hutokana na nishati ya kemikali inayoweza kutumika katika mafuta, gesi, makaa ya mawe. Nishati ya kemikali inayoweza kutumika moja kwa moja lazima ichomwe kwanza. Kwa kawaida, kuchomwa kwa mafuta ya visukuku (mafuta, gesi, na makaa ya mawe) hutoa joto. Joto linaweza kutumika moja kwa moja kupika chakula, kupasha joto chumba. Ili kusogeza kitu (kama vile kusogeza gari), lazima tubadilishe joto kuwa nishati ya kinetiki au nishati ya mitambo (nishati ya mitambo = nishati inayoweza kutumika + nishati ya kinetiki).
Kifaa kinachotumia joto kufanya kazi kiligunduliwa mwaka wa 1700. Ilikuwa injini ya mvuke. Injini ya mvuke ilitumika kwa mara ya kwanza kusukuma maji kutoka kwenye mgodi wa makaa ya mawe.
Matumizi ya injini za mvuke ni kwa sababu mvuke unaweza kusogeza vitu. Injini za mvuke zinajumuisha injini ya joto (injini ya joto ni kifaa cha kubadilisha joto kuwa nishati ya mitambo). Sasa injini ya mvuke hutumika kutoa nishati ya umeme. Injini za kisasa za joto ni injini za mwako wa ndani kama vile injini za magari, injini za pikipiki, n.k.
Wazo la msingi nyuma ya matumizi ya injini za joto ni kwamba kupasha joto kunaweza kubadilishwa kuwa nishati ya mitambo ikiwa joto litaruhusiwa kutiririka kutoka halijoto ya juu hadi halijoto ya chini. Wakati wa mchakato huu, joto fulani hubadilishwa kuwa nishati ya mitambo (joto fulani hutumika kufanya kazi), joto fulani hutolewa katika sehemu zenye halijoto ya chini. Mchakato wa kubadilisha umbo la nishati na uhamishaji wa nishati katika injini ya joto unaonekana kama mchoro huu.
Joto la juu (T)H) na halijoto ya chini (TL) huitwa halijoto ya uendeshaji wa mashine. QH ni joto linalotoka kwenye halijoto ya juu, ilhali QL joto linapita hadi mahali penye halijoto ya chini. Linapotiririka kutoka halijoto ya juu hadi halijoto ya chini, joto fulani hubadilishwa kuwa nishati ya mitambo (inayotumika kufanya kazi), joto fulani hutolewa kama QLJoto lote haliwezi kubadilishwa kuwa kazi (W), daima kuna joto linalotolewa (QLKwa hivyo, kwa kuzingatia uhifadhi wa nishati, QH = W + QL.
Kuna injini kadhaa za joto, ikiwa ni pamoja na injini za mvuke na injini za mwako wa ndani.
Injini ya mvuke
Injini za mvuke hutumia mvuke wa maji kama njia ya kuhamisha joto. Mvuke ni mvuke unaofanya kazi. Kuna aina mbili za injini za mvuke: injini za mvuke zinazobadilishana na injini za mvuke za turbine. Muundo wa injini hii ni tofauti, lakini aina hizi mbili za injini za mvuke hutumia mvuke unaopashwa joto kwa kuchoma mafuta, gesi, makaa ya mawe au kutumia nishati ya nyuklia.
Injini za Mchanganyiko wa ndani
Injini za pikipiki na injini za magari ni mifano ya injini za mwako wa ndani. Huitwa injini za mwako wa ndani kwa sababu mchakato wa mwako hutokea ndani ya silinda zilizofungwa. Uwepo wa injini ya mwako wa ndani ni matokeo ya dhana ya uhandisi ya mgandamizo na upanuzi wa adiabatic.
Ufanisi wa Injini ya Joto
Ufanisi wa injini ya joto (e) ni ulinganisho kati ya kazi (W) inayofanywa na mashine yenye kiingilio cha joto kwenye joto la juu (Q H ).
W ni faida inayopatikana, huku Q H ikiwa ni gharama inayotumika kununua na kuchoma mafuta. Kama wanadamu ambao wanataka kupata faida kubwa na matumizi madogo zaidi kila wakati, tunatumaini kwamba ongezeko la faida (W) ni sawia na gharama tunayotumia (Q H ). Je, inaweza kutokea?
Kulingana na uhifadhi wa nishati, joto (Q H ) lazima liwe sawa na joto la kazi (W) + joto linalotolewa (Q L ).
Badilisha W katika mlinganyo wa 1 na W katika mlinganyo wa 2
Huu ndio mlinganyo wa ufanisi wa injini ya joto.
Swali la 1:
Injini ya joto hunyonya joto la Jouli 3000 (QH ) , hufanya kazi (W) na huondoa joto la Jouli 2500 (QL ) . Kokotoa ufanisi wa joto la injini.
Suluhisho
Ufanisi wa injini ya joto = 17%.
Swali la 2:
Injini ya joto hunyonya joto la Joule 3000 (Q H ), hufanya kazi (W) na huondoa joto la Joule 2000 (Q L ). Hesabu ufanisi wa injini ya joto.
Suluhisho
Ufanisi wa injini ya joto = 34%.
Swali la 3:
Injini ya joto hunyonya Jouli 3000 za joto (Q H ), hufanya kazi (W) na hutoa hadi Jouli 1500 za joto (Q L ). Je, unahesabu ufanisi wa injini ya joto?
Suluhisho
Ufanisi wa injini ya joto = 50%.
