אַפּליקאַציע פון דעם צווייטן געזעץ פון טערמאָדִינאַמיק צו היץ מאָטאָרן
דער היץ מאטאר איז איינע פון די וויכטיגסטע אויסטרעפֿונגען אין דער געשיכטע פֿון טעכנאָלאָגיע ווייל עס האָט דערלויבט מענטשן צו פֿאַרוואַנדלען טערמישע ענערגיע אין נוצלעכע מעכאַנישע אַרבעט. פֿון די דאַמף מאשינען פֿון דער אינדוסטריעלער רעוואָלוציע ביז די גאַז טורבינען און אינערלעכע פֿאַרברענונג מאשינען אין מאָדערנע וועהיקלעס, בלייבט דער גרונט־קאָנצעפּט פֿון אַ היץ מאטאר די זעלבע: אַ היץ מקור, אַ היץ זינק, און פּראָדוצירטע אַרבעט. אָבער קען אַלע היץ פֿאַרוואַנדלט ווערן אין אַרבעט 100% פֿון דער צייט? פֿאַרוואָס זענען שטענדיק פֿאַראַן אומפֿאַרמיידלעכע "פֿאַרלוסטן"? די ענטפֿער ליגט אין דעם צווייטן געזעץ פֿון טערמאָדִינאַמיק. דער געזעץ איז נישט נאָר אַ טעאָרעטישער כלל, נאָר אַ פֿונדאַמענטאַלער לימיט וואָס באַשטימט ווי עפֿעקטיוו אַ היץ מאטאר קען אַרבעטן און ווי עס זאָל דיזיינט ווערן.
איבערבליק פון היץ מאטארן
פשוט געזאגט, א היץ מאטאר איז א סיסטעם וואס ארבעט ציקליש צו פארוואנדלען א טייל פון דער אריינקומענדיקער היץ ענערגיע אין ארבעט. אין איין ציקל, נעמט דער מאטאר אויף היץ פון א הייסן רעזערוואר (למשל, ברענשטאף פארברענונג אדער א נוקלעארער רעאקטאר), פראדוצירט ארבעט (למשל, דרייען א שאכט), און דערנאך ווארפט ער אפ די איבערבלייבנדע היץ צו א קאלטן רעזערוואר (למשל, דרויסנדיגע לופט אדער קיל וואסער). די דריי עלעמענטן—א הייסער רעזערוואר, א מאטאר, און א קאלטער רעזערוואר—זענען שטענדיג פאראן אין אן עכטן היץ מאטאר.
אויב מיר ניצן געוויינטלעכע נאטאציע:
– די מאַשין אַבזאָרבירט היץ פֿון אַ היץ־מקור אין דער סומע פֿון Qₕ (היץ־אינפֿוט).
– די מאַשין טוט אַרבעט פֿון וו.
– די מאַשין גיט ארויס היץ צו דער סביבה אדער קאלטע מקור אין דער מאָס פון Q𝑐.
לויט צו ערשטער געזעץ פון טערמאדינאמיק (ענערגיע קאנסערוואציע), גילט:
קₕ = וו + ק𝑐
דאָס מיינט אַז די פּראָדוצירטע אַרבעט איז דער חילוק צווישן דער היץ־אַרייַנפֿיר און דער פֿאַרלוירענער היץ. אָבער, דער ערשטער געזעץ דערקלערט נישט פֿאַרוואָס Q קען נישט זײַן נול. דאָס איז וווּ דער צווייטער געזעץ שפּילט אַ וויכטיקע ראָלע.
דערקלערונג פון דעם צווייטן געזעץ פון טערמאדינאמיק
דער צווייטער געזעץ פון טערמאדינאמיק קען אויסגעדריקט ווערן אין עטלעכע עקוויוואַלענטע פארמען, אבער די צוויי אויסזאגן וואָס זענען מערסט באַטייַטיק צו היץ מאָטאָרן זענען:
1. קעלווין-פלאנק אויסזאג:
עס איז אוממעגלעך צו קאנסטרואירן א היץ מאטאר וואס ארבעט אין א ציקל און פארוואנדלט אלע היץ וואס ווערט אבסארבירט פון איין רעזערוואר אין ארבעט אן אפווארפן היץ צו אן אנדער רעזערוואר.
מיט אנדערע ווערטער, עס איז אוממעגלעך פאר א היץ מאטאר צו האבן 100% עפעקטיווקייט.
2. קלאַוזיוס סטעיטמענט:
עס איז אוממעגלעך פאר היץ זיך איבערצופירן פון א קאלטן אביעקט צו א הייסן אביעקט אן עקסטערנע ארבעט.
דאָס דערקלערט פאַרוואָס רעפרידזשערייטערז/אַקאַמפּאַניערס דאַרפֿן עלעקטרישע ענערגיע: צו "צווינגען" היץ צו באַוועגן זיך קעגן איר נאַטירלעכער ריכטונג.
ביידע אויסזאגן באשרייבן טאקע איין פרינציפ: נאטירלעכע פראצעסן האבן א ריכטונג (אומאקערלעכקייט), און עס זענען דא יסודות'דיגע גרענעצן צו דער קאנווערזיע פון היץ-ענערגיע אין נוצלעכע ענערגיע.
ענטראָפּיע און פּראָצעס ריכטונג
א שליסל קאנצעפט וואס שטאמט פון דעם צווייטן געזעץ איז ענטראפיע (S), א קוואנטיטעט וואס ווערט אפט פארשטאנען אלס א מאס פון דער פארשפרייטונג פון ענערגיע אדער דעם גראד פון אומארדנונג, כאטש איר טערמאדינאמישע דעפיניציע איז מער פארמאל. פאר א ריווערסיבל פראצעס, ווערט די ענדערונג אין ענטראפיע דעפינירט אלס:
dS = δQ_rev / T
דער צווייטער געזעץ זאגט אז פאר אן אפגעזונדערטן סיסטעם, פארקלענערט זיך די גאנצע ענטראפיע קיינמאל נישט:
ΔS_טאָטאַל ≥ 0
אין דעם קאנטעקסט פון א היץ מאטאר, ווען היץ פליסט פון א הייסער מקור צו א קאלטער מקור, טענדירט די גאנצע ענטראפיע צו פארגרעסערן זיך. כדי דער מאטאר זאל פראדוצירן ארבעט, ניצט ער דעם "פלוס" פון היץ ענערגיע, אבער ער מוז נאך אלץ נאכקומען די פארלאנג אז די גאנצע ענטראפיע טאר נישט פארקלענערן. דעריבער, מוז שטענדיג עפעס היץ אפגעווארפן ווערן צום קאלטן רעזערוואר. די אפווארף איז נישט נאר א טעכנישער פארלוסט, נאר א יסודות'דיגע פארלאנג כדי די ענטראפיע פארלאנג זאל דערפילט ווערן.
היץ מאָטאָר עפעקטיווקייט און די קאַרנאָט לימיט
די טערמישע עפעקטיווקייט פון א היץ מאטאר ווערט דעפינירט אלס די פראפארציע פון דער ארבעט וואס ווערט פראדוצירט צו דער היץ וואס ווערט אבסארבירט פון דער היץ מקור:
η = W / Qₕ = (Qₕ - Q𝑐) / Qₕ = 1 - (Q𝑐 / Qₕ)
דער צווייטער געזעץ באגרענעצט דעם מאקסימום ווערט פון η. דער מערסט טעארעטיש עפעקטיווער היץ מאטאר איז דער קארנאט מאטאר, אן אידעאלער מאטאר וואס ארבעט ריווערסיבל צווישן צוויי רעזערווארן ביי טעמפעראטורן Tₕ (הייס) און T𝑐 (קאלט) אין קעלווין. די מאקסימום קארנאט עפעקטיווקייט ווערט געגעבן דורך:
η_קאַרנאָט = 1 - (ט𝑐 / טₕ)
די פֿאָרמולע ווײַזט צוויי וויכטיקע זאַכן:
1. מאַקסימום עפעקטיווקייט דעפּענדס נאָר אויף רעזערוואַר טעמפּעראַטור, נישט אויף די טיפּ פון אַרבעט פליסיק אָדער מאָטאָר פּלאַן דעטאַילס.
2. פֿאַר פאַרגרעסערן עפעקטיווקייט, מוזן מיר אָדער פֿאַרגרעסערן Tₕ אָדער פֿאַרקלענערן T𝑐. אָבער, ביידע זענען באַגרענעצט דורך מאַטעריאַלן, זיכערקייט, קאָסטן און סביבה־באַדינגונגען.
בייַשפּיל: אויב Tₕ = 900 K און T𝑐 = 300 K, דעמאָלט:
η_קאַרנאָט = 1 - 300/900 = 1 - 1/3 = 0,667 (66,7%)
דאָס איז דער אידעאַלער גרענעץ. עכטע מאָטאָרן וועלן האָבן נידעריקערע עפעקטיווקייט צוליב רייַבונג, היץ-פאַרלוסט, אומפאַרענדיקטע פֿאַרברענונג, און אַנדערע אומקערלעכע פאַקטאָרן.
אומקערלעכקייט אין עכטע מאשינען
דער צווייטער געזעץ דערקלערט אויך פארוואס עכטע מאטארן דערגרייכן קיינמאל נישט קארנאט עפעקטיווקייט. די הויפט אורזאך איז אומרעווערסיביליטי, וואס איז דער פראצעס וואס פראדוצירט ענטראפיע. עטלעכע קוועלער פון אומרעווערסיביליטי אין היץ מאטארן זענען:
– מעכאנישע רייַבונג אויף שאַפֿטן, לאַגערן און באַוועגלעכע קאָמפּאָנענטן.
– היץ־איבערפיר דורך אַ גרויסן טעמפּעראַטור־אונטערשייד, למשל היץ פֿון אַ פֿיל הייסערער פֿאַרברענונג־קאַמער צו אַן אַרבעטס־פֿליסיקײַט; די סאָרט איבערפיר פּראָדוצירט גרעסערע ענטראָפּיע ווי אַן אידעאַלער פּראָצעס.
– טורבולענץ און דרוק פארלוסט אין פליסיק שטראָם אין רערן, ווענטילן און טורבינען.
– אומרעווערסיבלע מישונג פון גאז און לופט אדער פארברענונג פראדוקטן.
– פארברענונג אליין איז א זייער אומקערלעכער פראצעס.
אלע די זאכן פארגרעסערן די גאנצע ענטראפיע און "ניצן אויס" דעם פאטענציאל צו פראדוצירן ארבעט, אזוי אז עפעקטיווקייט פארמינערט זיך.
אַפּליקאַציע אין אינערלעכע פֿאַרברענונג מאָטאָרן און דאַמף מאַכט פאַבריקן
אין אינערלעכע פארברענונג מאטארן (ווי בענזין און דיזל מאטארן), קומט די היץ-קוואל פון דער פארברענונג רעאקציע אינעם צילינדער. דער מאטאר אבזארבירט היץ (עפעקטיוו) ביי הויכע טעמפעראטורן בעת פארברענונג, און דאן פארווארפט ער די היץ דורך די אויסגאנג גאזן און די קיל-סיסטעם (ראדיאטאר). דער צווייטער געזעץ דערקלערט פארוואס אויטא מאטארן פראדוצירן קאנסיסטאנט גרויסע מאסן אפפאל היץ: עס איז אוממעגלעך צו פארוואנדלען אלע ברענשטאף'ס ענערגיע אין מעכאנישע ארבעט.
אין א פארע-געטריבענער פאַבריק (PLTU), ווערט וואַסער געהייצט אין הויך-דרוק פארע צו דרייען אַ טורבינע. נאָך דורכגיין די טורבינע, ווערט דער פארע אָפּגעקילט אין אַ קאָנדענסער צו צוריקקומען צו וואַסער און קען ווידער געפּאַמפּט ווערן . דער קאָנדענסער אַקט ווי אַ קאַלט רעזערוואַר. פילע מענטשן באַטראַכטן דעם קאָנדענסער אַ "פאַרשווענדונג פון ענערגיע", אָבער טערמאָדינאַמיש, איז היץ דיסיפּיישאַן אַ פאָדערונג פֿאַר דעם ציקל צו פאָרזעצן און פֿאַר גאַנץ ענטראָפּיע צו נישט ווייאַלייט דעם צווייטן געזעץ. דעריבער, ווערן PLTUs געוויינטלעך געבויט לעבן גרויסע וואַסער קוועלער פֿאַר קילן, אָדער נוצן קיל טורעמס.
פאָרשטעלונג פֿאַרבעסערונג סטראַטעגיעס באַזירט אויף די צווייטע געזעץ
ווייל דער צווייטער געזעץ שטעלט אויף גרענעצן, פאָקוסירן זיך פֿאַרבעסערונגען אין היץ־מאָטאָרן אויף רעדוצירן דעם אומרעווערסיביליטעט און אויסברייטערן דעם עפֿעקטיוון טעמפּעראַטור־ראַנג. עטלעכע געוויינטלעכע סטראַטעגיעס אַרייַננעמען:
– איבערהייצן און ווידערהייצן אין דעם ראַנקין ציקל (PLTU) צו פאַרגרעסערן די טורבין אַרייַנגאַנג טעמפּעראַטור.
– רעגענעראַציע (פיטער-וואַסער כיטער) צו נוצן אָפּפאַל היץ צו וואַרעמען פיטער-וואַסער, און דאָס רעדוצירט די היץ-באַדערפענישן פון דעם בוילער.
– קאָמבינירטער ציקל (קאָמבינירטער גאַז-דאַמף ציקל), וואו די אָפּפאַל היץ גאז טורבין געניצט צו פּראָדוצירן דאַמף וואָס דרייט אַ דאַמף טורבינע. דאָס פאַרגרעסערט די נוצן פון היץ ענערגיע און ברענגען די סיסטעם נענטער צו העכערע עפעקטיווקייט לימיטן.
– מאַטעריאַל פֿאַרבעסערונגען צו געבן די מעגלעכקייט צו אַרבעטן אויף קאָמפּאָנענטן העכערע טעמפּעראַטור אָן שאָדן, אַזוי אַז Tₕ פאַרגרעסערט זיך.
– רעדוצירן רייַבונג און לויפן פארלוסטן דורך טורבינע אַעראָדינאַמיש פּלאַן, בעסערע לובריקאַציע, און פליסיק וועג אָפּטימיזאַציע.
אלע די אנשטרענגונגען זענען אין עיקר פראקטישע אנווענדונגען פון דעם צווייטן געזעץ: פירן ענטראפיע און אונטערדריקן ענטראפיע פראדוקציע אזוי אז מער היץ ענערגיע קען ווערן פארוואנדלט אין ארבעט.
קעסימפּולאַן
די אנווענדונג פון דעם צווייטן געזעץ פון טערמאדינאמיק צו היץ מאטארן אַנטפּלעקט אַ פונדאַמענטאַלע לימיט ווייטער פון וועלכער קיין טעכנאָלאָגיע קען נישט איבערקומען: קיין מאָטאָר קען נישט קאָנווערטירן אַלע היץ אין אַרבעט אין איין ציקל. די בייַזייַן פון קאַלטע רעזערוווואַרן און היץ זינקען איז נישט פשוט אַ פּלאַן חסרון, אָבער אַ דירעקט קאַנסאַקווענס פון דער נאַטירלעך ריכטונג פון דעם פּראָצעס און די פאַרגרעסערונג אין ענטראָפּיע. דורך די קאָנצעפּטן פון עפעקטיווקייט, די קאַרנאָט לימיט, און די אַנאַליז פון יריווערסאַביליטי, גיט דער צווייטער געזעץ אַ ערשטיק גייד פֿאַר דיזיינינג מער עפעקטיווע מאטארן - פון אויטאָמאָטיוו מאטארן ביז גרויס-וואָג מאַכט פּלאַנץ. דורך פֿאַרשטיין דעם צווייטן געזעץ, מיר ניט בלויז וויסן "פארוואס עפעקטיווקייט איז לימיטעד" אָבער אויך "וואו צו פֿאַרבעסערן" צו ברענגען היץ מאטארן נעענטער צו די אָפּטימאַל פאָרשטעלונג ערלויבט דורך נאַטור.
