termodynamikens anden lov
termodynamikens anden lov sætter en grænse for, hvor effektive energikonverteringsprocesserne kan være. Selvom energi overført som varme faktisk er energioverførsel, er der noget andet ved varmeenergi. Den måde, forskere definerer varme på, er noget anderledes end den måde, de fleste mennesker forstår varme på. Hvis to kroppe med forskellige temperaturer placeres i kontakt med hinanden, vil der være en overførsel af energi fra den varme krop til den kolde krop, og denne overførsel fortsætter, indtil de to kroppe har samme temperatur. Denne overførsel af energi kaldes varme. Temperaturen på hver krop skyldes dens ” indre energi.”Denne energi lagres som den kinetiske energi af vibrerende og bevægelige molekyler og er en funktion af materialets temperatur og tryk. Jo varmere materialet er, jo hurtigere bevæger molekylerne sig. Når energi overføres som varme, mister den varmere krop noget af sin indre energi, og den koldere krop får noget indre energi. Det er derfor forkert at sige, at en varm krop indeholder varme; den indeholder intern energi, og den kan overføre noget af den energi til en koldere krop som varme. Den koldere krop omdanner derefter denne energi til intern energi. Overførslen af den indre energi er det, der kaldes varme. Læseren kan nu gå tilbage til det foregående afsnit om termodynamikens første lov og se alle mine bevidste fejl skrevet om ordet varme. For eksempel, Jeg sagde, at i solen “brintatomer smeltes sammen under intens varme og tryk for at danne heliumatomer.”Dette er ikke korrekt; jeg burde have sagt, at” hydrogenatomer smeltes sammen ved meget høje temperaturer og tryk for at danne heliumatomer.”
der er tre forskellige varmeoverføringsmetoder: ledning, konvektion og stråling.
hvor meget varme der kan overføres mellem to kroppe afhænger af deres temperaturer og metoden til varmeoverførsel. Varmeenergi kan ikke omdannes helt til arbejde eller mekanisk energi, elektricitet eller nogen anden form for energi. Dette har stor indflydelse på effektiviteten af varmemotorer. Når brændstof brændes i en varmemotor, frigives den kemiske energi, der opbevares i brændstofmolekylernes kemiske bindinger. Denne energi overføres til motoren som varme; dog kan ikke al denne varme omdannes til mekanisk energi. Da folk udviklede og forsøgte at perfektionere varmemotorer, såsom forbrændingsmotoren, opdagede de denne begrænsning og måtte forstå den. Resultatet var formuleringen af termodynamikens anden lov.
det sædvanlige arbejde på dette område skyldtes en fransk ingeniør kaldet Sadi Carnot. I 1824 udgav han et papir med titlen, refleksioner om ildens drivkraft og de maskiner, der var nødvendige for at udvikle denne magt. Dette papir præsenterede ideen om, at mængden af arbejde udført af en varmemotor skyldes strømmen af varme fra en varm til en kold krop. Carnots forståelse af varme var stadig mired i den forkerte kaloriteori om varme, men hans konklusioner var stadig gyldige. Hans analyse fastslog, at den teoretiske varme, der kunne overføres til varmemotoren, var proportional med temperaturforskellen mellem varmekilden (den varme krop) og kølelegemet (den kolde krop). Denne analyse gjorde det muligt for ham at beregne den teoretiske effektivitet af en varmemotor, som viste sig at være meget lavere end effektiviteten af andre energikonverteringsprocesser.
ved hjælp af Carnots analyse var flere mennesker i stand til at udlede forskellige udsagn fra termodynamikens anden lov. Nogle af disse er:
det er umuligt at producere arbejde i omgivelserne ved hjælp af en cyklisk proces forbundet med et enkelt varmereservoir (Thomson, 1851).
det er umuligt at udføre en cyklisk proces ved hjælp af en motor, der er forbundet med to varmereservoirer, der som eneste effekt vil overføre en mængde varme fra lavtemperaturreservoiret til højtemperaturreservoiret (Clausius, 1854).
i enhver proces øges universets entropi, hvilket får det til at have tendens til et maksimum (Clausius, 1865).
denne tredje erklæring introducerer begrebet entropi og sætter loven på et mere matematisk grundlag. Da mængden af varme, der overføres i en hvilken som helst proces, afhænger af temperaturen på kroppen, der overfører varmen, defineres entropi som den overførte varme divideret med temperaturen, T, ved hvilken den overføres. Definition:
en vis forståelse af entropi er nødvendig for fuldt ud at forstå begrænsningerne i energiforbruget. Dette er illustreret i bilag A og diskuteret i næste afsnit.
en af konsekvenserne af termodynamikens anden lov er, at når du brænder brændstof for at køre en varmemotor, kan kun noget af varmen fra brændstoffet omdannes til arbejde i motoren. Resten skal afvises til en køleplade, som normalt er atmosfæren omkring motoren. Derfor er varmemotorer iboende ineffektive. En anden konsekvens er, at opvarmning af dit hus med et elektrisk varmeelement vil være meget dyrere end at bruge de fleste andre brændstoffer. Dette skyldes, at elektriciteten er skabt ved hjælp af en ineffektiv varmemotor, hvor noget af varmen måtte afvises til omgivelserne. Hvis dit mål er at øge temperaturen på noget rum (såsom dit hus), er det bedre at brænde et brændstof direkte og fange så meget af den varme i dit hus som muligt. Effektiviteten af direkte opvarmning ved at brænde et brændstof er meget højere end at skabe elektricitet, hvor noget af varmen skal gå tabt. Alt dette blev analyseret af Sadi Carnot ved hjælp af sin Carnot-cyklus og offentliggjort i 1824.
Sadi Carnot var den ældste søn af en fransk revolutionær ved navn Lasare Carnot og blev født den 1.juni 1796 under højden af den franske Revolution. Sadi studerede ved den polytekniske højskole i 1812. Da Sadi dimitterede i 1814, var Napoleons imperium på flugt, og europæiske hære invaderede Frankrig. Under Napoleons tilbagevenden til magten i 1815 Sadis far, Lasare Carnot, var indenrigsminister i et par måneder. Efter Napoleons sidste nederlag senere samme år flygtede Lasare til Tyskland for aldrig at vende tilbage til Frankrig.
Sadi Carnot var en hærofficer i det meste af sit liv, men i 1819 blev han halvtræt fra hæren og begyndte at lægge sin opmærksomhed på at designe dampmaskiner. Disse motorer var de vigtigste arbejdsheste i Europa, især Storbritannien, og blev brugt til at pumpe vand fra miner, opmudring havne og floder, slibning hvede, og spinding og vævning klud; imidlertid, de var noget ineffektive. Importen af de mere avancerede Britiske dampmaskiner til Frankrig efter krigen viste Carnot, hvor langt franskmændene var faldet bagud i deres teknologi. Han var især forfærdet over, at briterne var kommet så langt gennem geniet hos nogle få ingeniører, der manglede nogen reel videnskabelig uddannelse. Britiske ingeniører havde også akkumuleret og offentliggjort pålidelige data om effektiviteten af mange typer motorer under faktiske driftsforhold; de argumenterede for fordelene ved lav-og højtryksmotorer og enkeltcylindrede og flercylindrede motorer.
Carnot forstod implicit, at store civilisationer har brug for at udnytte energi for at fremme deres teknologi. Overbevist om, at Frankrigs utilstrækkelige udnyttelse af damp var en faktor i dens undergang, begyndte han at skrive et ikke-teknisk arbejde med effektiviteten af dampmaskiner. Andre arbejdere før ham havde undersøgt spørgsmålet om at forbedre effektiviteten af dampmaskiner ved at sammenligne udvidelse og kompression af damp med produktion af arbejde og forbrug af brændstof. I sit essay, r Kursfleksioner sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres kursist d kurvelopper cette puissance (refleksioner om ildens drivkraft og de maskiner, der var nødvendige for at udvikle denne magt), udgivet i 1824, gav Carnot meget opmærksomhed på teorien om processen, der ikke vedrørte sig selv, som andre havde gjort, med dens mekaniske detaljer.
Carnot udtalte, at i en dampmotor produceres motorkraft, når varmen “falder” fra kedlens højere temperatur til kondensatorens lavere temperatur, ligesom vand, når det falder, giver strøm i et vandhjul. Han arbejdede inden for den teoretiske ramme for kalorieteorien om varme, idet han antog, at varme var en gas, der hverken kunne skabes eller ødelægges. Selvom denne antagelse var forkert, og Carnot selv var i tvivl om det, selv mens han skrev sit essay, var mange af hans resultater ikke desto mindre sande. En af disse var hans forudsigelse om, at effektiviteten af en idealiseret motor kun afhænger af temperaturen på dens hotteste og koldeste dele og ikke af stoffet (damp eller anden væske), der driver mekanismen.
Carnot forstod, at hvert termodynamisk system eksisterer i en bestemt termodynamisk tilstand. Når et system føres gennem en række forskellige tilstande og endelig vender tilbage til dets oprindelige tilstand, siges en termodynamisk cyklus at have fundet sted. I processen med at gennemgå denne cyklus kan systemet udføre arbejde på omgivelserne og derved fungere som en varmemotor. Den cyklus, som han foreslog og brugte i sin analyse, er nu kendt som Carnot-cyklussen. Et system, der gennemgår en Carnot-cyklus, kaldes en Carnot-varmemotor, selvom en sådan “perfekt” motor kun er teoretisk og ikke kan bygges i praksis.
de matematiske detaljer i Carnot-cyklussen er vist i bilag A, men det er ikke nødvendigt at forstå disse detaljer fuldt ud for at værdsætte dens anvendelighed. Carnot-cyklussen, når den fungerer som en varmemotor, består af følgende fire trin:
reversibel og isotermisk udvidelse af arbejdsvæsken ved den “varme” temperatur, TH (isotermisk varmetilsætning). Under dette trin brændes brændstoffet, hvilket skaber den varme temperatur og får arbejdsvæsken eller gassen til at ekspandere. Den ekspanderende gas får motorens stempel til at arbejde på omgivelserne. Når stemplet er tvunget til at bevæge sig, driver det en aksel, der omdanner arbejdet til kinetisk energi. Gasudvidelsen fremdrives ved absorption af varme fra det høje temperaturreservoir, der er skabt af det brændende brændstof.
en reversibel og adiabatisk (isentropisk) udvidelse af arbejdsvæsken (isentropisk arbejdsudgang). Husk at adiabatisk betyder, at der ikke overføres varme. Isentropisk betyder, at systemets entropi forbliver konstant. Til dette trin antages stemplet og cylinderen at være termisk isoleret (adiabatisk), således at de hverken får eller mister varme. Gassen fortsætter med at ekspandere og arbejder på omgivelserne. Når gas udvider det også køler, mister energi. Da processen er isoleret, kan den imidlertid ikke miste den energi som varme. Dette tvinger gassen til at fortsætte med at udføre arbejde ved at køre stemplet. Denne udvidelse af gassen får den til at afkøle til den” kolde ” temperatur, TC.
reversibel isotermisk kompression af gassen ved den “kolde” temperatur, TC (isotermisk varmeafvisning). I dette trin arbejder omgivelserne på gassen, hvilket får en mængde varme til at strømme ud af gassen til lavtemperaturreservoiret.
Isentropisk kompression af gassen (isentropisk arbejdsindgang). Endnu en gang antages stemplet og cylinderen at være termisk isoleret (eller adiabatisk). Under dette trin arbejder omgivelserne gennem stemplet på gassen, komprimerer den og får temperaturen til at stige til TH. På dette tidspunkt er gassen i samme tilstand som i starten af trin et.
antitesen til en varmemotor er et køleskab. En varmemotor brænder brændstof som en del af en termodynamisk cyklus for at skabe varme, der omdannes til mekanisk energi. Et køleskab sender cyklussen i den modsatte retning og bruger elektrisk energi til at skabe mekanisk energi, der derefter pumper varme fra det kolde legeme til det varmere legeme.
effektiviteten af varmemotoren, Kart, defineres som det producerede arbejde divideret med varmeindgangen fra det varme reservoir. I tillæg A beregnes effektiviteten som følger:
hvor,
V er det arbejde, der udføres af systemet (energi, der forlader systemet som arbejde).
HH er den varme, der sættes i systemet (varmeenergi, der kommer ind i systemet).
TC er den absolutte temperatur i det kolde reservoir.
TH er den absolutte temperatur på det varme reservoir.
denne effektivitet beskriver fraktionen af varmeenergien ekstraheret fra det varme reservoir og omdannet til mekanisk arbejde. En Rankine cyklus er normalt den praktiske tilnærmelse af en Carnot cyklus for en dampmaskine. Det er vist, i tillæg A, at for enhver cyklus, der fungerer mellem temperaturer TH og TC, ingen kan overstige effektiviteten af en Carnot-cyklus.
Carnot ‘ s sætning er en formel erklæring om denne kendsgerning: ingen motor, der opererer mellem to varmereservoirer, kan være mere effektiv end en Carnot-motor, der opererer mellem de samme reservoirer. Ligning 3.1 giver den maksimale effektivitet muligt for enhver motor ved hjælp af de tilsvarende temperaturer. En følge af Carnots sætning siger, at: Alle reversible motorer, der opererer mellem de samme varmereservoirer, er lige så effektive. Højre side af ligning 3.1 giver, hvad der kan være en lettere forståelig form for ligningen: den teoretiske maksimale effektivitet af en varmemotor svarer til forskellen i temperatur mellem det varme og kolde reservoir divideret med den absolutte temperatur på det varme reservoir. For at finde den absolutte temperatur i grader Kelvin skal du tilføje 273,15 liter til Celsius-temperaturen. For at finde den absolutte temperatur i grader Rankine skal du tilføje 459,6 liter til Fahrenheit-temperaturen. Ser man på formlen i ligning 3.1, en interessant kendsgerning bliver tydelig. Sænkning af temperaturen på det kolde reservoir vil have mere effekt på lofteffektiviteten af en varmemotor end at hæve temperaturen på det varme reservoir med samme mængde. I den virkelige verden kan dette være vanskeligt at opnå, da det kolde reservoir ofte er en eksisterende Omgivelsestemperatur, såsom atmosfæren.
med andre ord opnås maksimal effektivitet, hvis der ikke oprettes ny entropi i cyklussen. I praksis fører den krævede dumpning af varme i miljøet for at bortskaffe overskydende entropi til en reduktion i effektiviteten. Ligning 3.1 giver effektiviteten af enhver teoretisk reversibel varmemotor.
Carnot indså, at det i virkeligheden ikke er muligt at bygge en termodynamisk reversibel motor. Reelle varmemotorer er mindre effektive end angivet med ligning 3.1. Ikke desto mindre er ligning 3.1 yderst nyttig til bestemmelse af den maksimale effektivitet, der nogensinde kunne forventes for et givet sæt termiske reservoirer.
der er fire praktiske varmemotorcyklusser i bred brug i dag, der hver forsøger at tilnærme Carnot termodynamisk cyklus. De er
Otto-cyklen, som er grundlaget for bensinmotoren.
Dieselcyklussen, kommercialiseret i dieselmotoren.
Rankine-cyklussen, grundlaget for dampmaskiner, der i vid udstrækning anvendes i kraftværker til at generere elektricitet.
Brayton-cyklussen, der anvendes i gasturbiner, der bruges til at generere elektricitet eller tilvejebringe tryk.
der er også Stirling-cyklussen, der kan bruges til at fremstille en praktisk ekstern forbrændingsvarmemotor, men denne motor er aldrig blevet kommercialiseret. På trods af dette er der stor interesse for at udvikle Stirling-motorer, fordi et stort udvalg af brændstoffer kan bruges til at drive sådanne motorer, herunder solenergi. Stirling-motoren er et alternativ til Rankine-cyklusmotoren.
entropierklæringen i den anden lov giver også forskere mulighed for at analysere kemiske reaktioner, faseopførsel af væsker og mange andre tilsyneladende ikke-forbundne processer. Det forklarer også, hvorfor folk siger, at de bruger energi, når de faktisk konverterer energi fra en form til en anden. Når brændstof brændes for at generere energi, omdannes kemisk energi til varme, og derefter omdannes noget af denne varmeenergi til elektricitet. Noget af det afvises også til atmosfæren, hvor det ikke længere er brugbart. Denne elektricitet skaber lys i en pære, som også går tabt som varme til atmosfæren.
hvis brændstoffet bruges til at drive en forbrændingsmotor til at køre en bil, efter at noget af varmen er afvist til atmosfæren, skaber resten af brændstofets energi nyttig og brugbar kinetisk energi. Al den kinetiske energi går til sidst tabt som friktionsvarme, som også går tabt for atmosfæren. Al den energi, vi” bruger”, går tabt som varme, der for det meste er overført til atmosfæren, hvoraf nogle derefter udstråles gennem rummet til andre dele af universet.
en anden konsekvens af termodynamikens første og anden lov er, at Maskiner til evig bevægelse ikke er mulige. Den første lov siger simpelthen, at hvis du sætter en maskine i bevægelse ved at forsyne den med energi, kan den fortsætte med at køre for evigt i et friktionsløst miljø. Du kunne ikke udtrække mere energi tilbage ud af det, end du lægger i, fordi det ville krænke den første lov. Den anden lov siger, at du ikke engang kan få så meget ud, som du lægger ind, fordi noget af energien går tabt som varme via friktion. Perpetual motion maskiner falder i to kategorier: dem, der overtræder termodynamikens første lov og dem, der overtræder termodynamikens anden lov.
entropi-parameteren er også et mål for universets tilfældighed, og den anden lov siger, at universets tilfældighed øges. Med andre ord, når processer udfolder sig, har universets elementer en tendens til en mere uordnet tilstand.
svaret på spørgsmålet “Hvad mener vi, når vi siger, at vi bruger energi?”er det, at den tilgængelige energi bruges og derefter omdannes til utilgængelig energi. Elektrisk energi, potentiel energi, kinetisk energi og kemisk energi i brændstoffer er alle tilgængelige former for energi. Energi tabt til atmosfæren som varme bliver for det meste utilgængelig energi. Det er svært at udvinde energi fra atmosfæren, fordi temperaturen ikke er høj nok. Den kumulative effekt af energi tabt til atmosfæren eller havet er, at den også kontinuerligt udstråles til resten af universet, hvor den bliver fuldstændig utilgængelig. Den anden lov om termodynamik styrer denne proces.
termodynamikens love har mange flere anvendelser, end der er vist her, men det er uden for rammerne af denne bog. Her er det simpelthen nødvendigt at have en lille forståelse af termodynamikens love, så energiprocesserne kan forstås lidt bedre.