Carnot

druhý zákon termodynamiky

druhý zákon termodynamiky omezuje účinnost procesů přeměny energie. I když energie přenášená jako teplo je skutečně přenos energie, na tepelné energii je něco jiného. Způsob, jakým vědci definují teplo, je poněkud odlišný od způsobu, jakým většina lidí chápe teplo. Pokud jsou dvě tělesa různých teplot umístěna ve vzájemném kontaktu, dojde k přenosu energie z horkého těla do studeného těla a tento přenos bude pokračovat, dokud obě těla nebudou mít stejnou teplotu. Tento přenos energie se nazývá teplo. Teplota každého těla je způsobena jeho „vnitřní energií“.“Tato energie je uložena jako kinetická energie vibračních a pohybujících se molekul a je funkcí teploty a tlaku materiálu. Čím je materiál teplejší, tím rychleji se molekuly pohybují. Když se energie přenáší jako teplo, teplejší tělo ztratí část své vnitřní energie a chladnější tělo získá nějakou vnitřní energii. Je proto nesprávné říci, že horké tělo obsahuje teplo; obsahuje vnitřní energii a může přenést část této energie do chladnějšího těla jako teplo. Chladnější tělo pak přeměňuje tuto energii na vnitřní energii. Přenos této vnitřní energie je to, co se nazývá teplo. Čtenář se nyní může vrátit k předchozí části o prvním zákonu termodynamiky a vidět všechny mé úmyslné chyby napsané o slově teplo. Například, řekl jsem, že na slunci “ atomy vodíku jsou spojeny dohromady pod intenzivním teplem a tlakem za vzniku atomů helia.“To není správné; měl jsem říci, že“ atomy vodíku jsou spojeny dohromady při velmi vysokých teplotách a tlacích za vzniku atomů helia.“

existují tři různé metody přenosu tepla: vedení, konvekce a záření.

kolik tepla může být přenášeno mezi dvěma tělesy, závisí na jejich teplotách a způsobu přenosu tepla. Tepelná energie nemůže být zcela přeměněna na pracovní nebo mechanickou energii, elektřinu nebo jinou formu energie. To má velký dopad na účinnost tepelných motorů. Při spalování paliva v tepelném motoru se uvolňuje chemická energie, která je uložena v chemických vazbách molekul paliva. Tato energie se přenáší do motoru jako teplo; nicméně, ne všechno toto teplo může být přeměněno na mechanickou energii. Když lidé vyvíjeli a snažili se zdokonalovat tepelné motory, jako je například spalovací motor, objevili toto omezení a museli mu rozumět. Výsledkem byla formulace druhého termodynamického zákona.

klíčová práce v této oblasti byla způsobena francouzským inženýrem jménem Sadi Carnot. V roce 1824 publikoval článek s názvem úvahy o hnací síle ohně a strojích potřebných k rozvoji této síly. Tento článek představil myšlenku, že množství práce provedené tepelným motorem je způsobeno proudem tepla z horkého do studeného těla. Carnotovo chápání tepla bylo stále utápěno v nesprávné kalorické teorii tepla, ale jeho závěry byly stále platné. Jeho analýza zjistila, že teoretické teplo, které by mohlo být přeneseno do tepelného motoru, bylo úměrné teplotnímu rozdílu mezi zdrojem tepla (horké těleso) a chladičem (studené těleso). Tato analýza mu umožnila vypočítat teoretickou účinnost tepelného motoru, který se ukázal být mnohem nižší než účinnost jiných procesů přeměny energie.

určité pochopení entropie je nutné plně pochopit omezení spotřeby energie. To je ilustrováno v dodatku A a diskutováno v další části.

jedním z důsledků druhého termodynamického zákona je to, že když spalujete palivo pro pohon tepelného motoru, může být pouze část tepla z paliva přeměněna na práci v motoru. Zbytek musí být odmítnut do chladiče, což je obvykle atmosféra obklopující motor. V důsledku toho jsou tepelné motory ze své podstaty neefektivní. Dalším důsledkem je, že vytápění vašeho domu elektrickým topným tělesem bude mnohem dražší než použití většiny ostatních paliv. Je to proto, že elektřina byla vytvořena pomocí neefektivního tepelného motoru, kde část tepla musela být odmítnuta do okolí. Pokud je vaším cílem zvýšit teplotu nějakého prostoru (například vašeho domu), je lepší spálit palivo přímo a zachytit co nejvíce tepla ve vašem domě. Účinnost přímého ohřevu spalováním paliva je mnohem vyšší než vytváření elektřiny, kde musí být část tepla ztracena. To vše analyzoval Sadi Carnot pomocí svého Carnotova cyklu a publikoval v roce 1824.

Sadi Carnot byl nejstarší syn francouzského revolucionáře jménem Lazare Carnot a Narodil se 1. Června 1796, během vrcholu francouzské revoluce. Sadi studoval na École Polytechnique od roku 1812. V době, kdy Sadi promoval v roce 1814, byla Napoleonova říše na útěku a evropské armády napadaly Francii. Během Napoleonova návratu k moci v roce 1815 byl Sadiho otec Lazare Carnot několik měsíců ministrem vnitra. Po Napoleonově poslední porážce později téhož roku, Lazare uprchl do Německa, nikdy se vrátit do Francie.

Sadi Carnot byl po většinu svého života vojenským důstojníkem, ale v roce 1819 se vrátil z armády a začal se věnovat navrhování parních strojů. Tyto motory byly hlavními pracovními koňmi Evropy, zejména Británie, a byly použity pro čerpání vody z dolů, bagrování přístavů a řek, broušení pšenice, a spřádání a tkaní látky; nicméně, byly poněkud neefektivní. Dovoz pokročilejších britských parních strojů do Francie po válce ukázal Carnot, jak daleko Francouzi zaostali ve své technologii. Byl obzvláště zděšen, že Britové pokročili tak daleko díky genialitě několika inženýrů, kteří postrádali skutečné vědecké vzdělání. Britští inženýři také nashromáždili a zveřejnili spolehlivé údaje o účinnosti mnoha typů motorů za skutečných provozních podmínek; argumentovali o výhodách nízkotlakých a vysokotlakých motorů a jednoválcových a víceválcových motorů.

Carnot implicitně pochopil, že velké civilizace potřebují využít energii k rozvoji své technologie. Přesvědčen, že nedostatečné využití páry ve Francii bylo faktorem jejího pádu, začal psát netechnickou práci o účinnosti parních strojů. Jiní pracovníci před ním zkoumali otázku zlepšení účinnosti parních strojů porovnáním expanze a komprese páry s výrobou práce a spotřebou paliva. Ve své eseji Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (úvahy o hybné síle ohně a strojích potřebných k rozvoji této síly), publikované v roce 1824, Carnot věnoval velkou pozornost teorii procesu, která se netýká sebe sama, jak to dělali jiní, s jeho mechanickými detaily.

Carnot uvedl, že v parním stroji vzniká hnací síla, když teplo „klesá“z vyšší teploty kotle na nižší teplotu kondenzátoru, stejně jako voda při pádu poskytuje energii ve vodním kole. Pracoval v teoretickém rámci kalorické teorie tepla za předpokladu, že teplo je plyn, který nemohl být vytvořen ani zničen. Ačkoli tento předpoklad byl nesprávný a Carnot sám o tom měl pochybnosti, i když psal svou esej, mnoho z jeho výsledků bylo přesto pravdivé. Jednou z nich byla jeho předpověď, že účinnost idealizovaného motoru závisí pouze na teplotě jeho nejteplejších a nejchladnějších částí a nikoli na látce (páře nebo jiné tekutině), která pohání mechanismus.

Carnot pochopil, že každý termodynamický systém existuje v určitém termodynamickém stavu. Když je systém převzat řadou různých stavů a nakonec se vrátí do původního stavu, říká se, že došlo k termodynamickému cyklu. V průběhu tohoto cyklu může systém provádět práci na svém okolí, čímž působí jako tepelný motor. Cyklus, který navrhl a použil ve své analýze, je nyní známý jako Carnotův cyklus. Systém, který prochází carnotovým cyklem, se nazývá tepelný motor Carnot, i když takový“ dokonalý “ motor je pouze teoretický a nelze jej v praxi postavit.

protikladem tepelného motoru je lednička. Tepelný motor spaluje palivo jako součást termodynamického cyklu a vytváří teplo, které se přeměňuje na mechanickou energii. Chladnička vysílá cyklus v opačném směru a používá elektrickou energii k vytvoření mechanické energie, která pak pumpuje teplo z chladného těla do teplejšího těla.

kde

W je práce vykonaná systémem (energie opouštějící systém jako práce).

QH je teplo vložené do systému (tepelná energie vstupující do systému).

TC je absolutní teplota studeného zásobníku.

TH je absolutní teplota horké nádrže.

tato účinnost popisuje podíl tepelné energie extrahované z horké nádrže a převedené na mechanickou práci. Rankinův cyklus je obvykle praktická aproximace Carnotova cyklu pro parní stroj. V dodatku A je ukázáno, že pro jakýkoli cyklus pracující mezi teplotami TH a TC nemůže žádný překročit účinnost Carnotova cyklu.

Carnotova věta je formálním vyjádřením této skutečnosti: žádný motor pracující mezi dvěma zásobníky tepla nemůže být účinnější než Carnotův motor pracující mezi stejnými zásobníky. Rovnice 3.1 dává maximální možnou účinnost pro jakýkoli motor za použití odpovídajících teplot. Důsledkem Carnotovy věty je, že: Všechny reverzibilní motory pracující mezi stejnými zásobníky tepla jsou stejně účinné. Pravá strana rovnice 3.1 dává to, co může být snadněji pochopitelnou formou rovnice: teoretická maximální účinnost tepelného motoru se rovná rozdílu teploty mezi horkou a studenou nádrží děleno absolutní teplotou horké nádrže. Chcete-li zjistit absolutní teplotu ve stupních Kelvinů, přidejte k teplotě Celsia 273,15°. Chcete-li zjistit absolutní teplotu ve stupních Rankine, přidejte 459,6° k teplotě Fahrenheita. Podíváme-li se na vzorec v rovnici 3.1, je zřejmý zajímavý fakt. Snížení teploty studené nádrže bude mít větší vliv na stropní účinnost tepelného motoru než zvýšení teploty horké nádrže o stejné množství. Ve skutečném světě to může být obtížné dosáhnout, protože studená nádrž je často existující okolní teplota,jako je atmosféra.

jinými slovy, maximální účinnosti je dosaženo, pokud v cyklu není vytvořena žádná nová entropie. V praxi vede požadované vypouštění tepla do životního prostředí k likvidaci přebytečné entropie ke snížení účinnosti. Rovnice 3.1 dává účinnost jakéhokoli teoreticky reverzibilního tepelného motoru.

Carnot si uvědomil, že ve skutečnosti není možné postavit termodynamicky reverzibilní motor. Skutečné tepelné motory jsou méně účinné, než je uvedeno v rovnici 3.1. Nicméně rovnice 3.1 je mimořádně užitečná pro stanovení maximální účinnosti, kterou lze kdy očekávat pro danou sadu tepelných nádrží.

existuje také Stirlingův cyklus, který lze použít k výrobě praktického externího spalovacího tepelného motoru, ale tento motor nebyl nikdy komercializován. Navzdory tomu existuje velký zájem o vývoj stirlingových motorů, protože k pohonu těchto motorů lze použít velké množství paliv, včetně sluneční energie. Stirlingův motor je alternativou k motoru Rankinova cyklu.

prohlášení o entropii druhého zákona také umožňuje vědcům analyzovat chemické reakce, fázové chování tekutin a mnoho dalších zdánlivě nespojených procesů. Vysvětluje také, proč lidé říkají, že používají energii, když skutečně přeměňují energii z jedné formy na druhou. Když je palivo spáleno za účelem výroby energie, chemická energie se přemění na teplo a část této tepelné energie se přemění na elektřinu. Část z nich je také odmítnuta do atmosféry, kde již není použitelná. Tato elektřina vytváří světlo v žárovce, která se také ztrácí jako teplo do atmosféry.

pokud se palivo používá k pohonu spalovacího motoru k pohonu automobilu poté, co je část tepla odmítnuta do atmosféry, zbytek energie paliva vytváří užitečnou a použitelnou kinetickou energii. Veškerá kinetická energie je nakonec ztracena jako třecí teplo, které je také ztraceno v atmosféře. Veškerá energie, kterou „používáme“, se ztrácí jako teplo, které bylo většinou přeneseno do atmosféry, z nichž některé jsou pak vyzařovány vesmírem do jiných částí vesmíru.

dalším důsledkem prvního a druhého termodynamického zákona je to, že stroje s neustálým pohybem nejsou možné. První zákon jednoduše říká, že pokud uvedete stroj do pohybu tím, že mu dodáte energii, mohl by běžet navždy v prostředí bez tření. Nemohli jste z toho získat více energie, než jste vložili, protože by to porušilo první zákon. Druhý zákon říká, že nemůžete ani dostat tolik, kolik jste vložili, protože část energie je ztracena jako teplo třením. Stroje s neustálým pohybem spadají do dvou kategorií: ty, které porušují první zákon termodynamiky, a ty, které porušují druhý zákon termodynamiky.

parametr entropie je také měřítkem náhodnosti vesmíru a druhý zákon uvádí, že náhodnost vesmíru se zvyšuje. Jinými slovy, jak se procesy rozvíjejí, prvky vesmíru mají tendenci k více neuspořádanému stavu.

odpověď na otázku „co máme na mysli, když říkáme, že používáme energii?“je to, že dostupná energie se používá a pak se přemění na nedostupnou energii. Elektrická energie, potenciální energie, kinetická energie a chemická energie v palivech jsou všechny dostupné formy energie. Energie ztracená v atmosféře jako teplo se stává většinou nedostupnou energií. Je těžké získat energii z atmosféry, protože teplota není dostatečně vysoká. Kumulativní účinek energie ztracené do atmosféry nebo oceánu spočívá v tom, že je také nepřetržitě vyzařována do zbytku vesmíru, kde se stává zcela nedostupnou. Druhý zákon termodynamiky řídí tento proces.

zákony termodynamiky mají mnohem více aplikací, než zde bylo ukázáno, ale to je nad rámec této knihy. Zde je prostě nutné trochu porozumět zákonům termodynamiky, aby bylo možné energetické procesy pochopit trochu lépe.