Geri dönüşümsüz termodinamik süreçleri açıklamak için bilim insanları termodinamiğin ikinci yasasını formüle ettiler. Termodinamiğin ikinci yasası, evrende hangi süreçlerin gerçekleşebileceğini ve hangi süreçlerin gerçekleşemeyeceğini açıklar. RJE Clausius (1822-1888) adlı bir bilim insanı şu açıklamayı yapmıştır:
Doğal olarak, ısı yüksek sıcaklıktaki cisimlerden düşük sıcaklıktaki cisimlere doğru hareket eder; doğal olarak, ısı düşük sıcaklıktaki cisimlerden yüksek sıcaklıktaki cisimlere doğru hareket etmez (Termodinamiğin İkinci Yasası - Clausius'un ifadesi).
Clausius'un ifadesi, termodinamiğin ikinci yasasının özel ifadelerinden biridir. Özel ifade olarak adlandırılmasının nedeni, yalnızca ısı transferiyle ilgili tek bir sürece uygulanmasıdır. Bu ifade diğer süreçlerle ilgili olmadığından, daha genel bir ifadeye ihtiyacımız vardır. Termodinamiğin ikinci yasasının genel bir ifadesinin geliştirilmesi, ısı motorlarının incelenmesine dayanmaktadır. Bu nedenle, önce motor ısısını ele alacağız.
Isıtma motoru
Kullandığımız enerjinin büyük bir kısmı petrol, gaz ve kömürde bulunan kimyasal potansiyel enerjiden gelir. Doğrudan kullanılabilmesi için kimyasal potansiyel enerjinin önce yakılması gerekir. Genellikle fosil yakıtların (petrol, gaz ve kömür) yakılması ısı üretir. Isı doğrudan yemek pişirmek, odayı ısıtmak için kullanılabilir. Bir şeyi hareket ettirmek (örneğin bir aracı hareket ettirmek) için ısıyı kinetik enerjiye veya mekanik enerjiye dönüştürmemiz gerekir (mekanik enerji = potansiyel enerji + kinetik enerji).
Isı kullanarak iş yapan bir alet 1700'lerde keşfedildi. Bu, buhar motoruydu. Buhar motoru ilk olarak bir kömür madeninden suyu pompalamak için kullanıldı.
Buhar motorlarının kullanılmasının nedeni, buharın nesneleri hareket ettirebilmesidir. Buhar motorları, ısı motorunu da içerir (ısı motoru, ısıyı mekanik enerjiye dönüştüren bir araçtır). Günümüzde buhar motoru elektrik enerjisi üretmek için kullanılmaktadır. Modern ısı motorları, otomobil motorları, motosiklet motorları vb. gibi içten yanmalı motorlardır.
Isı motorlarının kullanımının temel fikri, ısının yüksek sıcaklıklardan düşük sıcaklıklara akmasına izin verilirse, ısının mekanik enerjiye dönüştürülebileceğidir. Bu süreçte, ısının bir kısmı mekanik enerjiye dönüştürülür (ısının bir kısmı iş yapmak için kullanılır), bir kısmı ise düşük sıcaklıktaki yerlerde açığa çıkar. Isı motorunda enerjinin şekil değiştirmesi ve enerji transferi süreci aşağıdaki şemada gösterilmiştir.
Yüksek sıcaklık (TH) ve düşük sıcaklık (TL) makine çalışma sıcaklığı olarak adlandırılır. QH Yüksek sıcaklıktan akan ısıdır, oysa QL Isı, düşük sıcaklıktaki yere doğru akar. Yüksek sıcaklıklardan düşük sıcaklıklara akarken, ısının bir kısmı mekanik enerjiye (iş yapmak için kullanılır) dönüştürülür, bir kısmı da Q olarak atılır.LTüm ısı işe (W) dönüştürülemez, her zaman açığa çıkan ısı (Q) vardır.LDolayısıyla, enerji korunumu ilkesine dayanarak, QH = B + QL.
Buhar motorları ve içten yanmalı motorlar da dahil olmak üzere çeşitli ısı motorları bulunmaktadır.
Buhar Motoru
Buhar motorları, ısı transfer ortamı olarak su buharı kullanır. Buhar, çalışma akışkanıdır. İki tür buhar motoru vardır: alternatif akımlı buhar motorları ve türbinli buhar motorları. Bu motorların tasarımları farklıdır, ancak bu iki tür buhar motoru da petrol, gaz, kömür yakılarak veya nükleer enerji kullanılarak ısıtılan buharı kullanır.
İçten Yanmalı Motorlar
Motosiklet motorları ve otomobil motorları, içten yanmalı motorlara örneklerdir. İçten yanmalı motor olarak adlandırılmalarının nedeni, yanma işleminin kapalı silindirler içinde gerçekleşmesidir. İçten yanmalı motorun varlığı, adyabatik sıkıştırma ve genişleme mühendislik kavramının bir sonucudur.
Isı Motoru Verimliliği
Isı motorunun verimliliği (e), makine tarafından gerçekleştirilen iş (W) ile yüksek sıcaklıktaki ısı girdisi (Q H ) arasındaki bir karşılaştırmadır.
W elde edilen kazancı, QH ise yakıt satın alma ve yakma maliyetini temsil eder. Her zaman maksimum karı ve minimum harcamayı hedefleyen insanlar olarak, kar artışının (W) harcadığımız maliyetle (QH) orantılı olmasını umarız . Bu mümkün mü?
Enerjinin korunumu ilkesine göre, ısı (QH ) iş (W) + açığa çıkan ısı ( QL ) 'ye eşit olmalıdır.
Denklem 1'deki W'yi denklem 2'deki W ile değiştirin.
Bu, ısı motoru verimliliğinin denklemidir.
Soru 1:
Bir ısı motoru 3000 Joule (QH) ısı emer , iş (W) yapar ve 2500 Joule (QL) ısıyı uzaklaştırır . Motorun ısı verimliliğini hesaplayın.
Çözüm
Isı motorunun verimliliği = %17.
Soru 2:
Bir ısı motoru 3000 Joule ısı (QH) emer , iş (W) yapar ve 2000 Joule ısı (QL) uzaklaştırır . Isı motorunun verimliliğini hesaplayın.
Çözüm
Isı motorunun verimliliği = %34.
Soru 3:
Bir ısı motoru 3000 Joule ısı (QH) emer , iş (W) yapar ve 1500 Joule'e kadar ısı (QL) yayar . Isı motorunun verimliliğini hesaplayın.
Çözüm
Isı motorunun verimliliği = %50.
