Upang ipaliwanag ang mga hindi na mababaligtad na prosesong termodinamika, binuo ng mga siyentipiko ang ikalawang batas ng termodinamika. Ipinapaliwanag ng ikalawang batas ng termodinamika kung anong mga proseso ang maaaring mangyari sa sansinukob at kung anong mga proseso ang hindi maaaring mangyari. Isang siyentipiko na nagngangalang RJE Clausius (1822-1888) ang nagsabi ng sumusunod:
Natural lamang, ang init ay lumilipat mula sa mga bagay na may mataas na temperatura patungo sa mga bagay na may mababang temperatura; natural lamang, ang init ay hindi napupunta mula sa mga bagay na may mababang temperatura patungo sa mga bagay na may mataas na temperatura (Ikalawang batas ng termodinamika—pahayag ni Clausius).
Ang pahayag ni Clausius ay isa sa mga espesyal na pahayag ng ikalawang batas ng termodinamika. Ito ay tinatawag na espesyal na pahayag dahil naaangkop lamang ito sa isang proseso, na may kaugnayan sa paglilipat ng init. Dahil ang pahayag na ito ay walang kaugnayan sa ibang mga proseso, kailangan natin ng mas pangkalahatang pahayag. Ang pagbuo ng isang pangkalahatang pahayag ng ikalawang batas ng termodinamika ay batay sa pag-aaral ng mga heat engine. Samakatuwid, tatalakayin muna natin ang init ng makina.
Makinang Init
Malaking bahagi ng enerhiyang ginagamit natin ay nagmumula sa kemikal na potensyal na enerhiya na nakapaloob sa petrolyo, gas, at karbon. Ang kemikal na potensyal na enerhiya na ginagamit upang direktang magamit ay dapat munang sunugin. Kadalasan, ang pagsunog ng mga fossil fuel (langis, gas, at karbon) ay lumilikha ng init. Ang init ay maaaring gamitin nang direkta sa pagluluto ng pagkain, pagpapainit ng silid. Upang maigalaw ang isang bagay (tulad ng paggalaw ng sasakyan), kailangan nating i-convert ang init sa kinetic energy o mechanical energy (mechanical energy = potential energy + kinetic energy).
Isang kagamitang gumagamit ng init upang gumawa ng trabaho ang natuklasan noong 1700. Ito ay isang makinang de-singaw. Ang makinang de-singaw ay unang ginamit upang magbomba ng tubig palabas ng minahan ng karbon.
Ang paggamit ng mga steam engine ay dahil kayang magpagalaw ng mga bagay ang singaw. Kasama sa mga steam engine ang heat engine (ang heat engine ay isang kasangkapan para sa pag-convert ng init sa mekanikal na enerhiya). Ngayon, ang steam engine ay ginagamit upang makabuo ng enerhiyang elektrikal. Ang mga modernong heat engine ay mga internal combustion engine tulad ng mga makina ng kotse, motorsiklo, atbp.
Ang pangunahing ideya sa likod ng paggamit ng mga heat engine ay ang pag-init ay maaaring maging mekanikal na enerhiya kung ang init ay hahayaang dumaloy mula sa mataas na temperatura patungo sa mababang temperatura. Sa prosesong ito, ang ilang init ay nagiging mekanikal na enerhiya (ang ilang init ay ginagamit upang gawin ang trabaho), ang ilang init ay inilalabas sa mga lugar na mababa ang temperatura. Ang proseso ng pagbabago ng hugis ng enerhiya at paglipat ng enerhiya sa heat engine ay mukhang ganito ang diagram.
Mataas na temperatura (TH) at mababang temperatura (TL) ay tinatawag na temperatura ng pagpapatakbo ng makina. QH ay ang init na dumadaloy mula sa mataas na temperatura, samantalang ang QL Ito ay ang init na dumadaloy patungo sa lugar na may mababang temperatura. Kapag dumadaloy mula sa mataas na temperatura patungo sa mababang temperatura, ang ilang init ay nababago sa mekanikal na enerhiya (ginagamit sa pagtatrabaho), ang ilang init ay itinatapon bilang QLHindi lahat ng init ay maaaring maging trabaho (W), palaging may init na inilalabas (QL). Kaya, batay sa konserbasyon ng enerhiya, QH = W + QL.
Mayroong ilang mga heat engine, kabilang ang mga steam engine at internal combustion engine.
SteamEngine
Ang mga steam engine ay gumagamit ng singaw ng tubig bilang midyum sa paglilipat ng init. Ang singaw ay working fluid. Mayroong dalawang uri ng steam engine: ang alternating steam engine at turbine steam engine. Magkaiba ang disenyo ng makinang ito, ngunit ang dalawang uri ng steam engine na ito ay gumagamit ng singaw na pinainit sa pamamagitan ng pagsunog ng langis, gas, karbon o paggamit ng enerhiyang nuklear.
Mga Panloob na Mga Mesin ng Pagsunog
Ang mga makina ng motorsiklo at makina ng kotse ay mga halimbawa ng mga internal combustion engine. Tinatawag na internal combustion engine dahil ang proseso ng pagkasunog ay nangyayari sa loob ng mga saradong silindro. Ang pagkakaroon ng internal combustion engine ay resulta ng konsepto ng inhinyeriya ng adiabatic compression at expansion.
Kahusayan ng Heat Engine
Ang kahusayan ng heat engine (e) ay isang paghahambing sa pagitan ng trabaho (W) na isinagawa ng makina sa isang Heat input sa mataas na temperatura (Q₂H₂ ).
Ang W ay ang natatanggap na pakinabang, habang ang QH ay ang gastos na natamo sa pagbili at pagsunog ng panggatong. Bilang mga taong laging naghahangad na makamit ang pinakamataas na tubo at pinakamaliit na gastusin, umaasa tayo na ang pagtaas ng kita (W) ay proporsyonal sa gastos na ating ginagastos (QH ) . Maaari ba itong mangyari?
Batay sa konserbasyon ng enerhiya, ang init (Q₂H₂ ) ay dapat katumbas ng trabaho (W) + pinalabas na init (Q₂L ).
Palitan ang W sa equation 1 ng W sa equation 2
Ito ang equation ng kahusayan ng heat engine.
Tanong 1:
Ang isang heat engine ay sumisipsip ng 3000 Joules (Q₂H₃ ) na init, gumagana (W) at nag-aalis ng 2500 Joules (Q₂L₃ ) na init. Kalkulahin ang kahusayan ng init ng makina.
Solusyon
Kahusayan ng makinang pampainit = 17%.
Tanong 2:
Ang isang heat engine ay sumisipsip ng 3000 Joule na init (Q₂H₂ ) , gumagawa ng trabaho (W) at nag-aalis ng 2000 Joule na init (Q₂L₂ ) . Kalkulahin ang kahusayan ng heat engine.
Solusyon
Kahusayan ng makinang pampainit = 34%.
Tanong 3:
Ang isang heat engine ay sumisipsip ng 3000 Joules ng init (Q₂H₃ ) , gumagana (W) at naglalabas ng hanggang 1500 Joules ng init (Q₂L₃ ) . Kalkulahin ang kahusayan ng isang heat engine?
Solusyon
Kahusayan ng makinang pampainit = 50%.
