Termodinamikaning ikkinchi qonunini issiqlik dvigatellariga qo'llash
Issiqlik dvigateli texnologiya tarixidagi eng muhim ixtirolardan biridir, chunki u odamlarga issiqlik energiyasini foydali mexanik ishga aylantirish imkonini berdi. Sanoat inqilobi davridagi bug 'dvigatellaridan tortib, zamonaviy transport vositalaridagi gaz turbinalari va ichki yonish dvigatellarigacha, issiqlik dvigatelining asosiy tushunchasi o'zgarishsiz qoladi: issiqlik manbai, issiqlik qabul qilgich va ishlab chiqarilgan ish. Lekin barcha issiqlik 100% hollarda ishga aylantirilishi mumkinmi? Nima uchun har doim muqarrar "yo'qotishlar" mavjud? Javob Termodinamikaning ikkinchi qonunida. Bu qonun shunchaki nazariy qoida emas, balki issiqlik dvigatelining qanchalik samarali ishlashini va uni qanday loyihalash kerakligini belgilovchi asosiy chegaradir.
Issiqlik dvigatellariga umumiy nuqtai nazar
Sodda qilib aytganda, issiqlik dvigateli - bu kiruvchi issiqlik energiyasining bir qismini ishga aylantirish uchun tsiklik ravishda ishlaydigan tizim. Bir tsiklda dvigatel issiq rezervuardan (masalan, yoqilg'i yonishi yoki yadro reaktori) issiqlikni yutadi, ish hosil qiladi (masalan, valni aylantirish) va keyin qolgan issiqlikni sovuq rezervuarga (masalan, tashqi havo yoki sovutish suvi) qaytaradi. Bu uchta element - issiq rezervuar, dvigatel va sovuq rezervuar - haqiqiy issiqlik dvigatelida doimo mavjud.
Agar biz umumiy yozuvdan foydalansak:
– Mashina issiqlik manbasidan Qₕ (kirish issiqlik) ga teng issiqlikni yutadi.
– Mashina Vt ning ishini bajaradi.
– Mashina atrof-muhitga yoki sovuq manbaga Q𝑐 miqdorida issiqlik chiqaradi.
Ga binoan Termodinamikaning birinchi qonuni (energiyani tejash), qo'llaniladi:
Qₕ = W + Q𝑐
Bu shuni anglatadiki, ishlab chiqarilgan ish issiqlik kiritish va yo'qotilgan issiqlik o'rtasidagi farqdir. Biroq, Birinchi qonun Q𝑐 ning nima uchun nolga teng bo'lmasligini tushuntirmaydi. Bu yerda Ikkinchi qonun hal qiluvchi rol o'ynaydi.
Termodinamikaning ikkinchi qonunining bayonoti
Termodinamikaning ikkinchi qonuni bir nechta ekvivalent shakllarda ifodalanishi mumkin, ammo issiqlik dvigatellari uchun eng mos keladigan ikkita bayonot quyidagilar:
1. Kelvin-Plank bayonoti:
Bir siklda ishlaydigan va bir rezervuardan so'rilgan barcha issiqlikni boshqa rezervuarga o'tkazmasdan ishga aylantiradigan issiqlik dvigatelini qurish mumkin emas.
Boshqacha qilib aytganda, issiqlik dvigatelining 100% samaradorlikka ega bo'lishi mumkin emas.
2. Klauziy bayonoti:
Tashqi ishsiz sovuq jismdan issiq jismga issiqlikning o'tishi mumkin emas.
Bu muzlatgichlar/konditsionerlarning nima uchun elektr energiyasiga muhtojligini tushuntiradi: issiqlikni tabiiy yo'nalishiga teskari yo'nalishda harakatlantirish uchun.
Ikkala bayonot ham aslida bitta tamoyilni tasvirlaydi: tabiiy jarayonlar yo'nalishga ega (qaytarib bo'lmaydigan) va issiqlik energiyasini foydali energiyaga aylantirishning asosiy cheklovlari mavjud .
Entropiya va jarayon yo'nalishi
Ikkinchi Qonundan kelib chiqadigan asosiy tushuncha entropiya (S) bo'lib, u ko'pincha energiya taqsimoti yoki tartibsizlik darajasining o'lchovi sifatida tushuniladi, garchi uning termodinamik ta'rifi ko'proq rasmiy bo'lsa ham. Qaytuvchi jarayon uchun entropiyaning o'zgarishi quyidagicha aniqlanadi:
dS = δQ_rev / T
Ikkinchi qonunda aytilishicha, izolyatsiya qilingan tizim uchun umumiy entropiya hech qachon kamaymaydi:
ΔS_jami ≥ 0
Issiqlik dvigateli sharoitida issiqlik issiq manbadan sovuq manbaga o'tganda, umumiy entropiya oshadi. Dvigatel ish ishlab chiqarishi uchun u issiqlik energiyasining bu "oqimidan" foydalanadi, lekin u baribir umumiy entropiya kamaymasligi kerakligi talabiga javob berishi kerak. Natijada, har doim ma'lum bir issiqlik sovuq rezervuarga rad etilishi kerak. Bu rad etish shunchaki texnik yo'qotish emas, balki entropiya talabini bajarish uchun asosiy talabdir.
Issiqlik dvigatelining samaradorligi va Karno chegarasi
Issiqlik dvigatelining issiqlik samaradorligi ishlab chiqarilgan ishning issiqlik manbasidan yutilgan issiqlikka nisbati sifatida aniqlanadi:
ē = W / Qₕ = (Qₕ − Q𝑐) / Qₕ = 1 − (Q𝑐 / Qₕ)
Ikkinchi qonun η ning maksimal qiymatini cheklaydi. Nazariy jihatdan eng samarali issiqlik dvigateli Karno dvigateli bo'lib, Kelvinda Tₕ (issiq) va T𝑐 (sovuq) haroratlarda ikkita rezervuar o'rtasida teskari ishlaydigan ideal dvigateldir. Karnoning maksimal samaradorligi quyidagicha ifodalanadi:
ē_Carnot = 1 − (T𝑐 / Tₕ)
Ushbu formula ikkita muhim narsani ko'rsatadi:
1. Maksimal samaradorlik faqat rezervuar haroratiga bog'liq, ishchi suyuqlik turiga yoki dvigatel dizayni tafsilotlariga emas.
2. Uchun samaradorlikni oshirish, biz Tₕ ni oshirishimiz yoki T𝑐 ni kamaytirishimiz kerak. Biroq, ikkalasi ham materiallar, xavfsizlik, narx va atrof-muhit sharoitlari bilan cheklangan.
Misol: agar Tₕ = 900 K va T𝑐 = 300 K bo'lsa, unda:
ē_Carnot = 1 - 300/900 = 1 - 1/3 = 0,667 (66,7%)
Bu ideal chegara. Haqiqiy dvigatellarning ishqalanish, issiqlik yo'qotilishi, to'liq bo'lmagan yonish va boshqa qaytarib bo'lmaydigan omillar tufayli samaradorligi pastroq bo'ladi.
Haqiqiy mashinalarda qaytarib bo'lmaydiganlik
Ikkinchi qonun, shuningdek, haqiqiy dvigatellarning nima uchun hech qachon Karno samaradorligiga erisha olmasligini ham tushuntiradi. Asosiy sabab - qaytarilmaslik, ya'ni entropiyani hosil qiluvchi jarayon. Issiqlik dvigatellarida qaytarilmaslikning ba'zi manbalari quyidagilarni o'z ichiga oladi:
– Vallar, podshipniklar va harakatlanuvchi qismlarga mexanik ishqalanish.
– Issiqlikning katta harorat farqi orqali o'tishi, masalan, ancha issiq yonish kamerasidan ishchi suyuqlikka issiqlik uzatish; bu turdagi o'tkazish ideal jarayonga qaraganda ko'proq entropiyani hosil qiladi.
– Quvurlar, klapanlar va turbinalardagi suyuqlik oqimida turbulentlik va bosim yo'qotilishi.
– Gaz va havo yoki yonish mahsulotlarining qaytarib bo'lmaydigan aralashuvi.
– Yonishning o'zi juda qaytarib bo'lmaydigan jarayon.
Bularning barchasi umumiy entropiyani oshiradi va ish ishlab chiqarish salohiyatini "yaroqsiz holga keltiradi", shuning uchun samaradorlik pasayadi.
Ichki yonish dvigatellari va bug 'elektr stansiyalarida qo'llanilishi
Ichki yonish dvigatellarida (benzin va dizel dvigatellari kabi) issiqlik manbai silindr ichidagi yonish reaksiyasidan kelib chiqadi. Dvigatel yonish paytida yuqori haroratlarda issiqlikni (samarali) yutadi, keyin esa chiqindi gazlar va sovutish tizimi (radiator) orqali issiqlikni rad etadi. Ikkinchi qonun avtomobil dvigatellari nima uchun doimiy ravishda ko'p miqdorda chiqindi issiqlik ishlab chiqarishini tushuntiradi: yoqilg'ining barcha energiyasini mexanik ishga aylantirish mumkin emas.
Bugʻ bilan ishlaydigan qurilmada ( PLTU) turbinani aylantirish uchun suv yuqori bosimli bugʻga aylantiriladi. Turbinadan oʻtgandan soʻng, bugʻ suvga qaytish uchun kondensatorda sovutiladi va yana pompalanishi mumkin . Bu kondensator sovuq rezervuar vazifasini bajaradi. Koʻp odamlar kondensatorni "energiya isrofi" deb bilishadi, ammo termodinamik jihatdan issiqlik tarqalishi siklning davom etishi va umumiy entropiyaning Ikkinchi qonunni buzmasligi uchun talabdir. Shuning uchun, PLTUlar odatda sovutish uchun katta suv manbalari yaqinida quriladi yoki sovutish minoralaridan foydalanadi.
Ikkinchi qonunga asoslangan samaradorlikni oshirish strategiyalari
Ikkinchi qonun cheklovlar qo'yganligi sababli, issiqlik dvigatellarini takomillashtirish qaytarilmaslikni kamaytirish va samarali harorat diapazonini kengaytirishga qaratilgan. Ba'zi keng tarqalgan strategiyalar quyidagilarni o'z ichiga oladi:
– Turbina kirish haroratini oshirish uchun Rankine siklida (PLTU) qizdirish va qayta qizdirish.
– Qozonning issiqlik talabini kamaytirish uchun chiqindi issiqlikdan foydalanish maqsadida regeneratsiya (oziqlantiruvchi suv isitgichi).
– Kombinatsiyalangan sikl (gaz-bugʻ siklining kombinatsiyasi), bu yerda chiqindi issiqlik gaz turbinasi bug 'turbinasini aylantiradigan bug' ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Bu undan foydalanishni oshiradi issiqlik energiyasi va tizimni yaqinlashtiradi yuqori samaradorlik chegaralari.
– Komponentlarning ishlashini ta'minlash uchun materialni takomillashtirish yuqori harorat shikastlanmasdan, shuning uchun Tₕ ortadi.
– Turbina aerodinamik dizayni, yaxshiroq moylash va suyuqlik yo'lini optimallashtirish orqali ishqalanish va oqim yo'qotishlarini kamaytirish.
Bu sa'y-harakatlarning barchasi asosan Ikkinchi Qonunning amaliy qo'llanilishidir: entropiyani boshqarish va entropiya ishlab chiqarishni bostirish, shunda ko'proq issiqlik energiyasi ishga aylantirilishi mumkin.
Xulosa
Termodinamikaning Ikkinchi Qonunini issiqlik dvigatellariga qo'llash hech qanday texnologiya yengib o'tolmaydigan asosiy chegarani ochib beradi: hech bir dvigatel barcha issiqlikni bitta siklda ishga aylantira olmaydi. Sovuq rezervuarlar va issiqlik qabul qilgichlarning mavjudligi shunchaki dizayndagi kamchilik emas, balki jarayonning tabiiy yo'nalishi va entropiyaning oshishining bevosita natijasidir. Samaradorlik tushunchalari, Karno chegarasi va qaytarilmaslik tahlili orqali Ikkinchi Qonun avtomobil dvigatellaridan tortib yirik elektr stantsiyalarigacha samaraliroq dvigatellarni loyihalash uchun asosiy qo'llanmani taqdim etadi. Ikkinchi Qonunni tushunish orqali biz nafaqat "samaradorlik nima uchun cheklangan"ligini, balki issiqlik dvigatellarini tabiat tomonidan ruxsat etilgan optimal ishlashga yaqinlashtirish uchun "qayerda yaxshilash" kerakligini ham bilamiz.
