Termodinamiğin İkinci Yasası hakkında makale
Doğada meydana gelen tüm süreçler yalnızca tek yönde gerçekleşir, ters yönde gerçekleşemez; bu durum genellikle geri döndürülemez süreçler olarak adlandırılır. Sapından ayrılıp yere düşen bir mango asla tekrar yukarı doğru hareket etmez. İttiğimiz ve sonra durdurduğumuz bir kitap asla bize doğru geri gelmez. Yüksek sıcaklıktaki bir cismi (sıcak cisim) düşük sıcaklıktaki bir cisimle (soğuk cisim) temas ettirirsek, ısı doğal olarak yüksek sıcaklıktaki cisimden düşük sıcaklıktaki cisme akar. Ters süreci, yani ısının doğal olarak soğuk bir cisimden sıcak bir cisme akmasını asla görmeyiz. Eğer bu süreç gerçekleşseydi, soğuk cisim daha soğuk, sıcak cisim ise daha sıcak olurdu. Ancak gerçekte durum böyle değildir. Birbirinden farklı görünen birçok geri döndürülemez süreç vardır, ancak bunların hepsi enerji biçimindeki değişiklikleri ve enerjinin bir cisimden diğerine aktarılmasını içerir.
Örneğin, binaların yıkılmasına neden olan güçlü bir deprem olur (binalar deprem dalgalarının taşıdığı enerji nedeniyle yıkılır). Yıkılan binanın her bir parçasının tekrar bir araya gelip eskisi gibi dik durduğunu hiç gördünüz mü? Ya da örneğin, yere düşen ve kırılan bir bardağın parçalarının tekrar bir araya gelip eskisi gibi bütün bir bardak oluşturduğunu hiç gördünüz mü? Hiç olmadı... daha birçok örnek var.
Sadece tek yönde gerçekleşen (geri dönüşümsüz) termodinamik süreçleri açıklamak için bilim insanları termodinamiğin ikinci yasasını formüle ettiler. Termodinamiğin ikinci yasası, evrende hangi süreçlerin gerçekleşebileceğini ve hangilerinin gerçekleşemeyeceğini açıklar. RJE adlı bir bilim insanı bu konuda çalışmalar yapmıştır. Clausius (1822-1888) şu açıklamayı yapmıştır:
Isı, kendiliğinden yüksek sıcaklıktaki bir cisimden düşük sıcaklıktaki bir cisme doğru hareket eder; ancak ısı, kendiliğinden düşük sıcaklıktaki bir cisimden yüksek sıcaklıktaki bir cisme doğru hareket etmez (Termodinamiğin İkinci Yasası – Clausius ifadesi).
Clausius ifadesi, termodinamiğin ikinci yasasının özel bir ifadesidir. Özel ifade olarak adlandırılmasının nedeni, yalnızca tek bir sürece, yani ısı transferine uygulanmasıdır. Bu ifade diğer süreçlerle ilgili olmadığı için, daha genel bir ifadeye ihtiyacımız vardır. Termodinamiğin ikinci yasasının genel ifadesinin geliştirilmesi kısmen ısı motorlarının incelenmesine dayanmaktadır. Bu nedenle, önce ısı motorlarını ele alacağız.
ISI MOTORU
Kullandığımız enerjinin büyük bir kısmı petrol, gaz ve kömürde bulunan kimyasal potansiyel enerjiden gelir. Petrol, gaz veya kömürde bulunan kimyasal potansiyel enerji doğrudan kullanılamaz. Petrol, gaz veya kömür önce yakılmalıdır. Tipik olarak, fosil yakıtların (petrol, gaz ve kömür) yakılması ısı üretir. Isı, yemek pişirmek ve bir odayı ısıtmak için doğrudan kullanılabilir. Bir şeyi hareket ettirmek için (örneğin, bir aracı hareket ettirmek için), ısıyı kinetik enerjiye veya mekanik enerjiye dönüştürmemiz gerekir (mekanik enerji = potansiyel enerji + kinetik enerji). Mekanik enerjiyi ısıya dönüştürmek çok kolay bir iştir, ancak ısıyı mekanik enerjiye dönüştürmek zordur. Avuç içlerinizi birbirine sürtmeyi deneyin… avuç içleriniz sıcak, değil mi? Avuç içlerimizi birbirine sürttüğümüzde (iş yaptığımızda), mekanik enerji ısıya dönüşür. Bu süreç çok kolaydır… İş yaparak sonsuz miktarda ısı bile üretilebilir. Ancak ters süreç, yani ısıyı iş yapmak için kullanmak zordur.
Isıyı kullanarak iş yapmaya yarayan bir cihaz ancak 1700'lerde icat edildi. Söz konusu cihaz buhar motoruydu. Buhar motorları ilk olarak kömür madenlerinden su pompalamak için kullanıldı. Buhar motorlarının ilk kullanımının, bilim insanlarının ısının aslında sıcaklık farklarından kaynaklanan enerji transferi olduğunu bilmelerinden önce gerçekleştiğini belirtmek önemlidir (termodinamiğin birinci yasası henüz formüle edilmemişti).
O dönemde buhar motorlarının kullanımı muhtemelen buharın nesneleri hareket ettirebileceğini gösteren günlük deneyimlere dayanıyordu. Buhar motorları ısı motorları olarak kabul edilir (ısı motoru = ısıyı mekanik enerjiye dönüştüren bir cihaz). Günümüzde buhar motorları elektrik enerjisi üretmek için kullanılmaktadır. Modern ısı motorları içten yanmalı motorlardır (otomobil motorları, motosiklet motorları vb.).
Isı motorunun temel fikri, ısının ancak yüksek sıcaklık bölgesinden düşük sıcaklık bölgesine akmasına izin verildiğinde mekanik enerjiye dönüştürülebileceğidir. Bu süreçte, ısının bir kısmı mekanik enerjiye dönüştürülür (ısının bir kısmı iş yapmak için kullanılır), bir kısmı ise düşük sıcaklık bölgesine atılır. Isı motorundaki enerji dönüşümü ve enerji transferi süreci şemada gösterilmiştir.
Yüksek sıcaklık (TH) ve düşük sıcaklık (TL(Bu sıcaklık aynı zamanda motor çalışma sıcaklığı olarak da adlandırılır.) Yüksek sıcaklıktan akan ısıya Q sembolü gösterilir.HDüşük sıcaklıktaki bir yere salınan ısı ise Q sembolüyle gösterilir.L. Yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru akarken, bir miktar QH Mekanik enerjiye dönüştürüldüğünde (iş yapmak için kullanılır), bir kısmı Q olarak açığa çıkar.LAslında tüm Q'ların başarılı olmasını gerçekten umuyoruz.H Q, W'ye dönüştürülebilir, ancak günlük deneyimler bunun imkansız olduğunu göstermektedir. Her zaman bir miktar ısı kaybı vardır. Bu nedenle, enerjinin korunumu ilkesine dayanarak, Q'nun W'ye dönüştürülemeyeceği sonucuna varılabilir.H = B + QL.
Şimdi, ısıyı mekanik enerjiye dönüştürmek için yaygın olarak kullanılan bir ısı motorunu inceleyelim. Sadece sürekli iş yapan ısı motorlarını ele aldığımızı belirtmek önemlidir. İşin sürekli olarak yapılabilmesi için, ısının yüksek sıcaklık bölgesinden düşük sıcaklık bölgesine sürekli olarak akması gerekir. Eğer ısı sadece bir kez akarsa, ısı motoru tarafından yapılan iş de sadece bir kez yapılır (üretilen mekanik enerji çok küçük olur). Bu nedenle, ısı motoru optimum şekilde kullanılamaz. Bir ısı motoru, sürekli olarak iş yaparsa optimum şekilde kullanılabilir. Başka bir deyişle, ısı motoru tarafından üretilen mekanik enerji, bir şeyi hareket ettirmek için yeterlidir.
Buhar motoru
Buhar motorları, ısı transfer ortamı olarak su buharı kullanır. Buhar, buhar motorunun çalışma maddesi olarak adlandırılır. İki tür buhar motoru vardır: pistonlu buhar motorları ve türbinli buhar motorları (buhar türbinleri). Tasarımları biraz farklı olsa da, her iki tür de benzerlikler taşır: petrol, gaz, kömür veya nükleer enerji yakılarak ısıtılan buhar kullanırlar.
pistonlu tip buhar motoru
Bir kaptaki su genellikle yüksek basınç altında ısıtılır. Yüksek basınç altında ısıtıldığı için kaynama işlemi yüksek sıcaklıkta gerçekleşir. Sıcaklık, basınçla doğru orantılıdır. Buharın sıcaklığı ne kadar yüksekse, buhar basıncı da o kadar yüksek olur. Bu yüksek sıcaklık veya yüksek basınçlı buhar, giriş vanasından geçer ve pistona karşı genleşir. Genleşirken, buhar pistonu iter ve pistonun sağa doğru hareket etmesine neden olur.
Buhardaki ısının bir kısmı kinetik enerjiye dönüştürülür. Piston sağa doğru hareket ettiğinde, pistona bağlı tekerlek döner (1). Yarım dönüşten sonra, tekerlek pistonu orijinal konumuna geri iter (2). Piston sola doğru hareket ettiğinde, giriş vanası otomatik olarak kapanırken, egzoz vanası otomatik olarak açılır. Buhar, kondenser tarafından yoğunlaştırılarak çiğ haline gelir. Ardından, kondenserdeki su tekrar kaynatılmak üzere kaba geri pompalanır. Ve böyle devam eder… İşlem tekrar tekrar gerçekleştiği için, piston sürekli olarak sağa ve sola hareket eder. Piston sürekli olarak sağa ve sola hareket ettiği için, tekerlek de sürekli olarak döner. Tekerleğin dönüşü genellikle bir şeyi hareket ettirmek için kullanılır.
Buhar türbini
Buhar türbininin çalışma prensibi, esasen pistonlu buhar motorununkiyle aynıdır. Fark, pistonlu buhar motorunun piston kullanması, buhar türbininin ise türbin kullanmasıdır. Pistonlu buhar motorunda, ısı önce pistonun öteleme kinetik enerjisine dönüştürülür. Daha sonra, pistonun öteleme kinetik enerjisi, dönen çarkın dönme kinetik enerjisine dönüştürülür. Buhar türbininde ise ısı doğrudan türbinin dönme kinetik enerjisine dönüştürülür. Türbin, basınç farkı nedeniyle dönebilir. Kanat üzerindeki buharın sıcaklığı, kanat altındaki buharın sıcaklığından çok daha yüksektir. Kanat, türbinin merkezinde bulunan ince bir plakadır. Sıcaklık, basınçla doğru orantılıdır. Kanat üzerindeki buharın sıcaklığı, kanat altındaki buharın sıcaklığından daha yüksek olduğu için, kanat üzerindeki buhar basıncı, kanat altındaki basınca göre daha büyüktür. Bu basınç farkı, buharın kanadı aşağı doğru itmesine ve türbinin dönmesine neden olur. Türbin dönüş yönü şekilde gösterilmiştir.
Buhar motorunun çalışma prensibinin yukarıda açıklanan enerji transfer şemasına dayandığını belirtmek önemlidir. Bu durumda, yüksek sıcaklığa sahip bir nesneden veya yerden düşük sıcaklığa sahip bir nesneye veya yere ısı akışına izin verilerek mekanik enerji üretilebilir. Bu nedenle, buhar motorunda sıcaklık farkı şarttır.
Pistonlu buhar motorunun çalışma prensibine dikkat ederseniz, sıcaklık farkı olmamasına (kondansatör veya pompa olmamasına) rağmen pistonun hala sola ve sağa hareket edebildiğini fark edeceksiniz. Piston, yüksek sıcaklık veya yüksek basınçlı buharın genleşmesi nedeniyle sağa doğru hareket edebilir. Bu durumda, buhardaki ısının bir kısmı pistonun öteleme kinetik enerjisine dönüşür. Pistonun bu öteleme kinetik enerjisi daha sonra dönen tekerleğin dönme kinetik enerjisine dönüşür. Yarım dönüş tamamlandıktan sonra, tekerlek pistonu tekrar sola doğru iter. Tekerlek pistonu tekrar sola doğru ittiğinde, tekerleğin dönme kinetik enerjisi tekrar pistonun öteleme kinetik enerjisine dönüşür. Piston sola doğru hareket ederken, silindirdeki buharı dışarı iter. Aynı zamanda egzoz valfi açılır.
Böylece, piston tarafından itilen buhar, egzoz valfinin altındaki arkadaşını da itecektir. Şimdi, egzoz valfinin altındaki buharın sıcaklığı, piston tarafından itilen buharın sıcaklığına eşitse, pistonun tüm öteleme kinetik enerjisi buharın iç enerjisine geri dönüştürülecektir. İç enerji sıcaklıkla doğru orantılıdır. Buharın iç enerjisi artarsa, buharın sıcaklığı da artar. Sıcaklık basınçla doğru orantılıdır. Buharın sıcaklığı artarsa, buharın basıncı da artar. Bu nedenle, egzoz valfinden çıkan buharın basıncı, giriş valfinden giren buharın basıncına eşittir. Piston sürekli olarak sağa ve sola hareket etmeye devam edecektir, ancak kullanılabilecek toplam kinetik enerji (üretilen toplam iş) olmayacaktır. Bu nedenle, genleşme işlemi sırasında (piston sağa hareket eder) piston tarafından alınan kinetik enerji, sıkıştırma işlemi sırasında (piston sola hareket eder) buhara geri dönecektir.
Buhar motorunda sıcaklık farkının hala gerekli olduğu sonucuna varılmıştır. Buhar motorundaki bu sıcaklık farkı, bir kondansatör kullanılarak sağlanabilir. Egzoz valfinin altındaki buharın sıcaklığı ve basıncı, silindirdeki buharın sıcaklığı ve basıncından çok daha düşük olduğunda, piston sola doğru hareket ettiğinde, pistonun buhara uyguladığı basınç miktarı, piston sağa doğru hareket ettiğinde buharın pistona uyguladığı basınç miktarından çok daha küçüktür. Başka bir deyişle, pistonun buhara yaptığı iş miktarı, buharın pistona yaptığı işten çok daha küçüktür. Bu nedenle, pistonun kinetik enerjisinin sadece küçük bir kısmı buhara geri döner. Böylece, toplam kinetik enerji veya toplam iş üretilir. Bu toplam kinetik enerji bir şeyi hareket ettirmek için kullanılır.
İçten Yanmalı Motor
Motosiklet ve otomobil motorları, içten yanmalı motorlara örnektir. İçten yanmalı motor olarak adlandırılmalarının nedeni, yanma işleminin kapalı bir silindir içinde gerçekleşmesidir. İçten yanmalı motorlar, önceki konuda açıklandığı gibi, adyabatik sıkıştırma ve genişleme kavramını kullanan mühendisliğin bir sonucudur. termodinamiğin birinci yasası.
Sadece benzin ve dizel yakıt kullanan içten yanmalı motorları ele alacağız. Benzin ve dizel petrol ürünleridir ve bu nedenle kimyasal potansiyel enerjiye sahiptirler. Benzin ve dizeldeki kimyasal potansiyel enerji, yanma süreciyle önce ısıya dönüştürülür. Yanma sonucu üretilen ısı daha sonra mekanik enerjiye dönüştürülür. Bu mekanik enerji, bir motosikletin veya arabanın hareket etmesini sağlar. Benzinli bir motordaki çevrime Otto çevrimi, dizel bir motordaki çevrime ise dizel çevrimi denir. Çevrim, tersinir bir termodinamik süreçtir. Öncelikle Otto çevrimini ele alalım.
Otto döngüsü
Bu, dört zamanlı bir içten yanmalı motorun şemasıdır. Piston aşağı doğru hareket ederken (emme stroku), karbüratörden silindire hava ve benzin buharı karışımı akar. Silindirdeki hava ve benzin buharı karışımı, piston yukarı doğru hareket ederken (sıkıştırma stroku) adyabatik olarak sıkıştırılır. Adyabatik olarak sıkıştırıldığı için karışımın sıcaklığı ve basıncı artar. Aynı anda, buji karışımı ateşler. Yanarken, gazın sıcaklığı ve basıncı artar. Yüksek sıcaklık ve yüksek basınçlı gaz, pistona karşı genleşerek onu aşağı doğru iter (genleşme stroku). Yanmış gaz daha sonra egzoz valfinden dışarı atılır ve egzoz borusuna yönlendirilir (egzoz stroku). Emme valfi tekrar açılır ve dört strok tekrarlanır.
Şunu belirtmek önemlidir ki, adyabatik sıkıştırma strokunun amacı hava-benzin buhar karışımının sıcaklığını ve basıncını artırmaktır. Yüksek basınçta yanma çok yüksek sıcaklık ve basınçlar üretir. Sonuç olarak, genleşme işlemi sırasında üretilen itme kuvveti (F = PA) çok büyüktür. Bu da motosiklet veya otomobil motorunun daha güçlü hale gelmesine neden olur. Sıkıştırma olmasa bile, buji kıvılcım ürettiğinde hava-benzin buhar karışımı tutuşabilir. Ancak, yanmış gazın sıcaklığı ve basıncı çok yüksek olmadığından, ortaya çıkan itme kuvveti de küçüktür. Sonuç olarak, motor daha az güçlü hale gelir.
Dört zamanlı içten yanmalı bir motorda enerji dönüşümü ve enerji transferi süreci şu şekilde açıklanabilir: Yanma sırasında, benzindeki kimyasal potansiyel enerji ve havadaki enerji ısıya dönüşür. Isının bir kısmı piston kolunda ve krank milinde mekanik enerjiye dönüştürülürken, bir kısmı da egzoz borusundan dışarı atılır. Piston kolunda ve krank milinde oluşan mekanik enerjinin büyük bir kısmı araçta (aracın hareketinde) mekanik enerjiye dönüşürken, küçük bir kısmı ısıya dönüşür. Isı, sürtünme sonucu oluşur.
Otto çevrimindeki adyabatik genleşme ve sıkıştırma süreci aşağıdaki diyagramda gösterilebilir. Bu diyagram, benzinle çalışan bir içten yanmalı motorda meydana gelen termodinamik süreçlerin idealize edilmiş bir modelini göstermektedir.
Silindire hava ve benzin buharı karışımı girer (a). Hava ve benzin buharı karışımı daha sonra adyabatik olarak sıkıştırılır (a-b). Silindir hacminin azaldığına dikkat edin. Hava ve benzin buharı karışımı sabit hacimde ısıtılır – karışım yakılır (b-c). Yanan gaz adyabatik genleşmeye uğrar (c-d). Sabit hacimde soğutma – yanmış gaz egzoz borusuna boşaltılır ve silindire yeni bir hava + benzin buharı karışımı girer (d-a).
Silindire hava ve benzin buharı karışımı girer (a). Hava ve benzin buharı karışımı daha sonra adyabatik olarak sıkıştırılır (a-b). Silindir hacminin azaldığına dikkat edin. Hava ve benzin buharı karışımı sabit hacimde ısıtılır – karışım yakılır (b-c). Yanan gaz adyabatik genleşmeye uğrar (c-d). Sabit hacimde soğutma – yanmış gaz egzoz borusuna boşaltılır ve silindire yeni bir hava + benzin buharı karışımı girer (d-a).
Dizel Çevrimi
Dizel motorun çalışma prensibi, benzinli motorunkine benzer. Fark, ilk adyabatik sıkıştırma adımında yatmaktadır (adyabatik sıkıştırma = ısının sisteme girip çıkmasına zaman kalmayacak kadar hızlı yapılan sıkıştırma. Bu durumda sistem bir silindirdir). Benzinli motorda sıkıştırılan şey hava ve benzin buharı karışımı iken, dizel motorda sadece hava sıkıştırılır. Adyabatik sıkıştırma, havanın sıcaklığını ve basıncını artırır. Ardından, enjektör dizel yakıtı püskürtür. Havanın sıcaklığı ve basıncı zaten çok yüksek olduğundan, dizel silindire püskürtüldüğünde dizel hemen tutuşur. Bujiye gerek yoktur. Aşağıdaki diyagramda gösterilen basınç değerine dikkat edin. BOtto çevrimi diyagramında gösterilen basıncın büyüklüğüyle karşılaştırın.
Bu diyagram ideal bir dizel çevrimini göstermektedir. Başlangıçta hava adyabatik olarak sıkıştırılır (a-b), ardından sabit basınçta ısıtılır – enjektör dizeli püskürtür ve yanma gerçekleşir (b-c), yanmış gaz adyabatik genleşmeye uğrar (c-d), sabit hacimde soğur – yanmış gaz egzoz borusundan dışarı atılır ve silindire taze hava girer (d-a).
Yukarıdaki açıklamaya dayanarak, her ısı motorunun esasen belirli bir çalışma maddesine sahip olduğu sonucuna varılabilir. Buhar motorunun çalışma maddesi sudur, benzinli motorun çalışma maddesi hava ve benzin buharıdır, dizel motorun çalışma maddesi ise hava ve dizel yakıtıdır. Çalışma maddesi genellikle yüksek sıcaklıkta ısıyı emer (Q).H), iş yaparak (W), ardından kalan ısıyı daha düşük bir sıcaklıkta (Q) serbest bırakmak.LEnerji korunduğu için QH = B + QL.
Isı Motorunun Verimliliği
Bir ısı motorunun verimliliği (e), motor tarafından yapılan iş (W) ile yüksek sıcaklıktaki ısı girişi (Q) arasındaki orandır.HMatematiksel olarak şu şekilde yazılabilir:
W elde ettiğimiz karı, Q ise elde ettiğimiz karı temsil eder.H Yakıt satın alma ve yakma maliyetimizdir. Her zaman mümkün olan en yüksek karı ve en düşük harcamayı elde etmek isteyen insanlar olarak, elde ettiğimiz karın (W) katlandığımız maliyetle (QH) orantılı olmasını gerçekten umuyoruz. Bu mümkün mü?
Enerjinin korunumu ilkesine göre, giriş ısısı (Q)H) Yapılan İş (W) + Açığa Çıkan Isı (Q)'ya eşit olmalıdır.LMatematiksel olarak:
Bir ısı motorunun verimliliğini yüzde olarak ifade etmek istiyorsanız, verimlilik denklemini %100 ile çarpmanız yeterlidir. Yukarıdaki verimlilik denklemine göre, ne kadar çok ısı atılırsa (Q), verimlilik o kadar yüksek olur.LBir ısı motoru tarafından üretilen ısı miktarı ne kadar fazlaysa, ısı motorunun verimliliği de o kadar düşüktür. Biz aslında atılan ısı miktarını (Q) istiyoruz.L) mümkün olduğunca az. Ancak, ısı girişi (QHGenellikle petrol, kömür, gaz vb. yakılarak elde edilir (parasını ödediğimiz yakıt).
Bu nedenle, her ısı motoru esasen mümkün olduğunca verimli olacak şekilde tasarlanmıştır. Mümkün olan en az harcamayla en büyük faydayı elde etmeyi arzulasak da, gerçek şu ki, buhar motorları tipik olarak %40 verimliliğe sahipken, içten yanmalı motorlar yaklaşık %50 verimliliğe sahiptir. Bu, yakıt yakılarak üretilen ısının yarısının boşa gittiği anlamına gelir. Sadece yarısı mekanik enerjiye dönüştürülür.
Örnek soru 1:
Bir ısı motoru 3000 Joule ısı emer (QH), iş yaparak (W) ve 2500 Joule ısı açığa çıkararak (Q)LIsı motorunun verimliliği nedir?
Pembahasan
Örnek soru 2:
Bir ısı motoru 3000 Joule ısı emer (QH), iş yaparak (W) ve 2000 Joule ısı açığa çıkararak (Q)LIsı motorunun verimliliği nedir?
Pembahasan
Örnek soru 3:
Bir ısı motoru 3000 Joule ısı emer (QH), iş yaparak (W) ve 1500 Joule ısı açığa çıkararak (Q)LIsı motorunun verimliliği nedir?
Pembahasan
