termodynamiikan toinen laki
termodynamiikan toinen laki asettaa rajan sille, kuinka tehokkaita energiamuunnosprosessit voivat olla. Vaikka lämpöenergiana siirretty energia on todellakin energian siirtoa, lämpöenergiassa on jotain erilaista. Tapa, jolla tutkijat määrittelevät lämmön, on hieman erilainen kuin se, miten useimmat ihmiset ymmärtävät lämmön. Jos kaksi eri lämpötiloissa olevaa kappaletta joutuu kosketuksiin toistensa kanssa, tapahtuu energian siirto kuumasta kappaleesta kylmään kappaleeseen ja tämä siirto jatkuu, kunnes molemmat kappaleet ovat samassa lämpötilassa. Tätä energian siirtoa kutsutaan lämmöksi. Kunkin kappaleen lämpötila johtuu sen ” sisäisestä energiasta.”Tämä energia varastoituu värähtelevien ja liikkuvien molekyylien liike-energiana ja on materiaalin lämpötilan ja paineen funktio. Mitä kuumempi materiaali, sitä nopeammin molekyylit liikkuvat. Kun energia siirtyy lämpönä, kuumempi kappale menettää osan sisäenergiastaan ja kylmempi kappale saa jonkin verran sisäenergiaa. On siis väärin sanoa, että kuuma kappale sisältää lämpöä; se sisältää sisäenergiaa ja se voi siirtää osan tästä energiasta kylmempään kappaleeseen lämpönä. Kylmempi kappale muuntaa energian sisäenergiaksi. Tämän sisäenergian siirto on niin sanottu lämpö. Lukija voi nyt palata edelliseen osioon termodynamiikan ensimmäisestä laista ja nähdä kaikki tahalliset virheeni, jotka on kirjoitettu sanasta lämpö. Sanoin esimerkiksi, että auringossa ”vetyatomit fuusioituvat kovassa kuumuudessa ja paineessa heliumatomeiksi.”Tämä ei pidä paikkaansa; minun olisi pitänyt sanoa, että ”vetyatomit fuusioituvat toisiinsa hyvin korkeissa lämpötiloissa ja paineissa muodostaen heliumatomeja.”
on olemassa kolme eri lämmönsiirtomenetelmää: johtuminen, konvektio ja säteily.
kuinka paljon lämpöä voidaan siirtää kahden kappaleen välillä riippuu niiden lämpötilasta ja lämmönsiirtotavasta. Lämpöenergiaa ei voida muuttaa kokonaan työ-tai mekaaniseksi energiaksi, sähköksi tai muuksi energiaksi. Tällä on iso vaikutus lämpömoottoreiden tehokkuuteen. Kun polttoainetta poltetaan lämpömoottorissa, polttoainemolekyylien kemiallisiin sidoksiin varastoitunut kemiallinen energia vapautuu. Tämä energia siirtyy moottoriin lämpönä; kaikkea tuota lämpöä ei kuitenkaan voida muuttaa mekaaniseksi energiaksi. Kun ihmiset kehittivät ja yrittivät hioa lämmitysmoottoreita, kuten polttomoottoria, he huomasivat tämän rajoituksen ja heidän oli ymmärrettävä se. Tuloksena oli termodynamiikan toisen lain muotoilu.
urakka tällä alueella oli ranskalaisen Sadi Carnot-nimisen insinöörin ansiota. Vuonna 1824 hän julkaisi tutkielman ”Reflections on the Motive Power of Fire and the Machines Needed to development This Power”. Tässä asiakirjassa esitettiin ajatus, että lämpömoottorin tekemän työn määrä johtuu lämmön virtaamisesta kuumasta kylmään kappaleeseen. Carnot ’ n käsitys lämmöstä oli vielä sekoittunut lämmön virheelliseen kalorikkiteoriaan, mutta hänen johtopäätöksensä olivat edelleen voimassa. Hänen analyysinsä mukaan teoreettinen lämpö, joka voitaisiin siirtää lämpömoottoriin, oli verrannollinen lämmönlähteen (kuuma kappale) ja jäähdytyselementin (kylmä kappale) väliseen lämpötilaeroon. Tämän analyysin avulla hän pystyi laskemaan lämpömoottorin teoreettisen hyötysuhteen, joka osoittautui paljon alhaisemmaksi kuin muiden energiamuunnosprosessien hyötysuhde.
Carnot ’ n analyysin avulla useat ihmiset pystyivät päättelemään termodynamiikan toisen lain erilaisia väittämiä. Joitakin näistä ovat:
on mahdotonta tuottaa työtä ympäristössä syklisellä prosessilla, joka on kytketty yhteen lämpövarastoon (Thomson, 1851).
on mahdotonta suorittaa syklistä prosessia, jossa käytetään kahteen lämpövarastoon kytkettyä moottoria, jonka ainoana vaikutuksena on lämpömäärän siirtyminen matalan lämpötilan säiliöstä korkean lämpötilan säiliöön (Clausius, 1854).
missä tahansa prosessissa kaikkeuden entropia kasvaa, jolloin se pyrkii kohti maksimiaan (Clausius, 1865).
tämä kolmas lausuma esittelee entropian käsitteen ja asettaa lain matemaattisemmalle pohjalle. Koska siirretyn lämmön määrä missä tahansa prosessissa riippuu lämpöä siirtävän kappaleen lämpötilasta, entropia määritellään siirretyksi lämmöksi jaettuna lämpötilalla T, jolla se siirretään. Kun entropialle annetaan tunnus S ja lämmön siirtämälle tunnukselle tunnus Q, määritelmän mukaan:
tietynlainen ymmärrys entropiasta on tarpeen, jotta voidaan täysin ymmärtää energiankäytön rajoitukset. Tätä havainnollistetaan liitteessä A, ja sitä käsitellään seuraavassa jaksossa.
yksi termodynamiikan toisen lain seurauksista on se, että kun polttoainetta poltetaan lämpömoottorin ajamiseksi, vain osa polttoaineen lämmöstä voidaan muuttaa moottorissa toimivaksi. Loput on hylättävä jäähdytyslevyyn, joka on yleensä moottoria ympäröivä ilmapiiri. Näin ollen lämpömoottorit ovat luonnostaan tehottomia. Toinen seuraus on, että talon lämmittäminen sähkölämmityselementillä tulee paljon kalliimmaksi kuin useimpien muiden polttoaineiden käyttö. Tämä johtuu siitä, että sähkö on luotu tehottomalla lämpömoottorilla, jossa osa lämmöstä on jouduttu hylkäämään ympäristöön. Jos tavoitteena on nostaa lämpötilaa jonkin tilan (kuten talon), on parempi polttaa polttoainetta suoraan ja kaapata niin paljon, että lämpöä talosi kuin mahdollista. Suoran lämmityksen hyötysuhde polttamalla polttoainetta on paljon suurempi kuin sähkön tuottaminen, jossa osa lämmöstä on menetettävä. Kaikki tämä analysoitiin Sadi Carnot käyttäen hänen Carnot sykli ja julkaistiin vuonna 1824.
Sadi Carnot oli ranskalaisen vallankumouksellisen Lazare Carnot ’ n vanhin poika ja syntyi 1.kesäkuuta 1796, Ranskan vallankumouksen huipulla. Sadi opiskeli École Polytechnique alkaen 1812. Kun Sadi valmistui vuonna 1814, Napoleonin valtakunta oli pakosalla ja Euroopan armeijat hyökkäsivät Ranskaan. Napoleonin palatessa valtaan vuonna 1815 Sadin isä Lazare Carnot toimi muutaman kuukauden sisäministerinä. Napoleonin kärsittyä lopullisen tappion myöhemmin samana vuonna Lazare pakeni Saksaan eikä koskaan palannut Ranskaan.
Sadi Carnot oli suurimman osan elämästään armeijan upseeri, mutta vuonna 1819 hän vetäytyi armeijasta ja alkoi keskittyä höyrykoneiden suunnitteluun. Nämä moottorit olivat Euroopan, erityisesti Britannian, tärkeimpiä työhevosia, ja niitä käytettiin kaivosten veden pumppaamiseen, satamien ja jokien ruoppaamiseen, vehnän jauhamiseen sekä kankaiden kehräämiseen ja kutomiseen; ne olivat kuitenkin jossain määrin tehottomia. Kehittyneempien brittiläisten höyrykoneiden tuonti Ranskaan sodan jälkeen osoitti Carnot ’ lle, kuinka paljon ranskalaiset olivat jääneet jälkeen teknologiassaan. Hän oli erityisen tyrmistynyt siitä, että britit olivat edenneet niin pitkälle muutaman insinöörin nerouden kautta, joilta puuttui todellinen tieteellinen koulutus. Brittiläiset insinöörit olivat myös keränneet ja julkaisseet luotettavaa tietoa monien moottorityyppien tehokkuudesta todellisissa käyttöolosuhteissa; he väittelivät matala-ja korkeapainemoottoreiden sekä yksi-ja monisylinteristen moottoreiden ansioista.
Carnot ymmärsi implisiittisesti, että suurten sivilisaatioiden on valjastettava energiaa kehittääkseen teknologiaansa. Vakuuttuneena siitä, että Ranska riittämätön hyödyntäminen höyry oli tekijä sen kaatumisen, hän alkoi kirjoittaa nontechnical työtä tehokkuutta höyrykoneita. Muut työntekijät ennen häntä olivat tarkastelleet kysymystä höyrykoneiden tehokkuuden parantamisesta vertaamalla höyryn laajentamista ja puristamista työn tuottamiseen ja polttoaineen kulutukseen. Vuonna 1824 julkaistussa esseessään Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (Reflections on the Motive Power of Fire and the Machines Needed to development This Power) Carnot kiinnitti paljon huomiota teoriaan prosessista, joka ei koske itseään, kuten muut olivat tehneet, mekaanisine yksityiskohtineen.
Carnot totesi, että höyrykoneessa käyttövoima syntyy, kun lämpö ”putoaa” kattilan korkeammasta lämpötilasta lauhduttimen alhaisempaan lämpötilaan, aivan kuten vesi pudotessaan antaa virtaa vesipyörässä. Hän työskenteli lämmön kaloriteorian teoreettisessa viitekehyksessä olettaen, että lämpö oli kaasua, jota ei voitu luoda eikä tuhota. Vaikka tämä oletus oli virheellinen ja Carnot itse oli epäilyksiä siitä, vaikka hän oli kirjallisesti hänen essee, monet hänen tulokset olivat kuitenkin totta. Yksi näistä oli hänen ennustuksensa, että idealisoidun moottorin tehokkuus riippuu vain sen kuumimpien ja kylmimpien osien lämpötilasta eikä aineesta (höyrystä tai muusta nesteestä), joka ohjaa mekanismia.
Carnot ymmärsi, että jokainen termodynaaminen systeemi on olemassa tietyssä termodynaamisessa tilassa. Kun systeemi viedään useiden eri tilojen läpi ja lopulta palautetaan alkutilaan, sanotaan tapahtuneen termodynaaminen sykli. Tämän syklin aikana järjestelmä voi tehdä työtä ympäristölleen, jolloin se toimii lämpövoimakoneena. Hänen ehdottamaansa ja analyysissään käyttämäänsä sykliä kutsutaan nykyään Carnot ’ n sykliksi. Carnot-syklin läpikäyvää järjestelmää kutsutaan Carnot heat-moottoriksi, vaikka tällainen ”täydellinen” moottori on vain teoreettinen eikä sitä voida rakentaa käytännössä.
Carnot ’ n syklin matemaattiset yksityiskohdat on esitetty liitteessä A, mutta näitä yksityiskohtia ei tarvitse täysin ymmärtää sen hyödyllisyyden ymmärtämiseksi. Carnot ’ n sykli, kun se toimii lämpömoottorina, koostuu seuraavista neljästä vaiheesta:
Työaineen reversiibeli ja isoterminen laajeneminen ”kuumassa” lämpötilassa, TH (isoterminen lämmönlisäys). Tämän vaiheen aikana polttoaine poltetaan, mikä luo kuuman lämpötilan ja aiheuttaa työnesteen tai kaasun laajenemisen. Laajeneva kaasu saa moottorin männän toimimaan ympäristössä. Kun mäntä pakotetaan liikkumaan, se ajaa akselia, joka muuttaa työn liike-energiaksi. Kaasun laajeneminen tapahtuu absorboimalla lämpöä palavan polttoaineen synnyttämästä korkean lämpötilan säiliöstä.
työaineen reversiibeli ja adiabaattinen (isentrooppinen) laajeneminen (isentrooppinen työn ulostulo). Muista, että adiabaattinen tarkoittaa, että lämpöä ei siirretä. Isentrooppinen tarkoittaa, että systeemin entropia pysyy vakiona. Tässä vaiheessa männän ja sylinterin oletetaan olevan lämpöeristettyjä (adiabaattisia), jolloin ne eivät saa eivätkä menetä lämpöä. Kaasu jatkaa laajenemistaan tehden työtä ympäristön hyväksi. Kun kaasu laajenee, se myös jäähtyy menettäen energiaa. Koska prosessi on eristetty, se ei kuitenkaan voi menettää tuota energiaa lämpönä. Tämä pakottaa kaasun jatkamaan työtä mäntää ajamalla. Tämä kaasun laajeneminen aiheuttaa sen jäähtymisen ”kylmään” lämpötilaan, TC.
kaasun reversiibeli isoterminen puristus ”kylmässä” lämpötilassa TC (isoterminen lämmönpoisto). Tässä vaiheessa ympäristö tekee työtä kaasun, joka aiheuttaa määrän lämpöä virtaa pois kaasun matalan lämpötilan säiliö.
kaasun Isentrooppinen puristus (isentrooppinen työpanos). Männän ja sylinterin oletetaan jälleen olevan lämpöeristettyjä (tai adiabaattisia). Tämän vaiheen aikana, ympäristö, läpi mäntä, tehdä työtä kaasun, puristamalla se ja aiheuttaa lämpötilan nousu TH. Tässä vaiheessa kaasu on samassa tilassa kuin ensimmäisen vaiheen alussa.
lämpömoottorin antiteesi on jääkaappi. Lämpömoottori polttaa polttoainetta osana termodynaamista sykliä, jolloin syntyy lämpöä, joka muuttuu mekaaniseksi energiaksi. Jääkaappi lähettää syklin vastakkaiseen suuntaan ja käyttää sähköenergiaa luodakseen mekaanista energiaa, joka sitten pumppaa lämpöä kylmästä kehosta kuumempaan kehoon.
lämpömoottorin hyötysuhde η määritellään tuotetuksi työksi jaettuna kuumasäiliön lämpösyötöllä. Liitteessä A hyötysuhde lasketaan seuraavasti:
missä
W on järjestelmän tekemä työ (järjestelmästä poistuva energia työnä).
QH on järjestelmään syötetty lämpö (järjestelmään tuleva lämpöenergia).
TC on kylmäsäiliön absoluuttinen lämpötila.
TH on kuuman säiliön absoluuttinen lämpötila.
tämä hyötysuhde kuvaa sitä osaa lämpöenergiasta, joka saadaan kuumasäiliöstä ja muunnetaan mekaaniseksi työksi. Rankine-sykli on yleensä Carnot-syklin käytännön approksimaatio höyrykoneelle. Lisäyksestä A käy ilmi, että mikään lämpötilojen TH ja TC välillä toimiva sykli ei voi ylittää Carnot-syklin hyötysuhdetta.
Carnot ’n Lause on muodollinen toteamus tästä tosiasiasta: mikään kahden lämpövaraston välissä toimiva moottori ei voi olla tehokkaampi kuin samojen varastojen välissä toimiva Carnot’ n moottori. Yhtälöllä 3.1 saadaan suurin mahdollinen hyötysuhde mille tahansa moottorille vastaavia lämpötiloja käyttäen. A corollary, Carnot lause todetaan, että: Kaikki samojen lämpövarastojen välillä toimivat käännettävät moottorit ovat yhtä tehokkaita. Yhtälön 3.1 oikealta puolelta saadaan yhtälön ehkä helpommin ymmärrettävä muoto: lämpömoottorin teoreettinen maksimihyötysuhde on kuuman ja kylmän säiliön välinen lämpötilaero jaettuna kuuman säiliön absoluuttisella lämpötilalla. Jos haluat löytää absoluuttisen lämpötilan Kelvinasteina, lisää celsiusasteeseen 273,15°. Löytää absoluuttinen lämpötila astetta Rankine, lisätä 459,6° Fahrenheit lämpötila. Tarkastellaan kaavaa yhtälössä 3.1, mielenkiintoinen seikka käy ilmi. Kylmäsäiliön lämpötilan alentaminen vaikuttaa enemmän lämpömoottorin kattotehokkuuteen kuin kuumasäiliön lämpötilan nostaminen samalla määrällä. Reaalimaailmassa tätä voi olla vaikea saavuttaa, sillä kylmäsäiliö on usein olemassa oleva Ympäristön lämpötila, kuten ilmakehä.
toisin sanoen maksimaalinen hyötysuhde saavutetaan, jos syklissä ei synny uutta entropiaa. Käytännössä tarvittavan lämmön dumppaaminen ympäristöön ylimääräisen entropian hävittämiseksi johtaa tehokkuuden heikkenemiseen. Yhtälö 3.1 antaa minkä tahansa teoreettisesti käännettävän lämpömoottorin hyötysuhteen.
Carnot tajusi, että todellisuudessa ei ole mahdollista rakentaa termodynaamisesti käännettävää moottoria. Reaalilämpömoottorit eivät ole yhtä tehokkaita kuin yhtälö 3.1 osoittaa. Yhtälö 3.1 on kuitenkin erittäin hyödyllinen määritettäessä mahdollisimman suurta tehokkuutta, jota voidaan koskaan odottaa tietyn joukon lämpövarastoja.
Laajassa käytössä on nykyään neljä käytännöllistä lämpömoottorisykliä, joista jokainen yrittää likimääräistä Carnot ’ n termodynaamista sykliä. Ne ovat
Otto-sykli, johon bensiinimoottori perustuu.
dieselmoottorilla kaupallistettu Dieselmoottori.
Rankine-sykli, joka on nykyisin laajalti voimalaitoksissa sähkön tuottamiseen käytettävien höyrykoneiden perusta.
Braytonin sykli, jota käytetään kaasuturbiineissa, joita käytetään sähkön tuottamiseen tai työntövoiman tuottamiseen.
on olemassa myös Stirling-sykli, jolla voidaan tehdä käytännöllinen ulkoinen polttolämpömoottori, mutta tätä moottoria ei ole koskaan kaupallistettu. Tästä huolimatta kiinnostusta Stirlingin moottoreiden kehittämiseen on paljon, koska tällaisten moottoreiden kuljettamiseen voidaan käyttää monenlaisia polttoaineita, kuten aurinkoenergiaa. Stirling-moottori on vaihtoehto Rankine-syklimoottorille.
toisen lain entropialauseke antaa myös tutkijoille mahdollisuuden analysoida kemiallisia reaktioita, nesteiden vaihekäyttäytymistä ja monia muita näennäisesti toisiinsa liittymättömiä prosesseja. Se selittää myös, miksi ihmiset sanovat käyttävänsä energiaa, kun he todellisuudessa muuntavat energiaa yhdestä muodosta toiseen. Kun polttoainetta poltetaan energian tuottamiseksi, kemiallinen energia muutetaan lämmöksi ja sitten osa tuosta lämpöenergiasta muutetaan sähköksi. Osa siitä hylätään myös ilmakehään, jossa se ei ole enää käyttökelpoinen. Tämä sähkö synnyttää hehkulampussa valoa, joka myös häviää lämpönä ilmakehään.
jos polttoainetta käytetään polttomoottorin voimanlähteenä auton ajamiseen sen jälkeen, kun osa lämmöstä on hylätty ilmakehään, loppuosa polttoaineen energiasta luo käyttökelpoista ja käyttökelpoista liike-energiaa. Kaikki tuo kineettinen energia häviää lopulta kitkalämpönä, joka häviää myös ilmakehään. Kaikki käyttämämme energia katoaa lämpönä, joka on siirtynyt enimmäkseen ilmakehään ja josta osa säteilee sitten avaruuden kautta maailmankaikkeuden muihin osiin.
toinen seuraus termodynamiikan ensimmäisestä ja toisesta laista on, että ikiliikkujat eivät ole mahdollisia. Ensimmäisessä laissa sanotaan yksinkertaisesti, että jos koneen panee liikkeelle antamalla sille energiaa, se voi jatkaa toimintaansa ikuisesti kitkattomassa ympäristössä. Siitä ei voisi ottaa enempää energiaa takaisin kuin siihen on laitettu, koska se rikkoisi ensimmäistä lakia. Toisen lain mukaan ei voi edes saada niin paljon ulos kuin laittaa sisään, koska osa energiasta häviää kuin lämpö kitkan kautta. Ikiliikkujat jaetaan kahteen ryhmään: niihin, jotka rikkovat termodynamiikan ensimmäistä lakia ja niihin, jotka rikkovat termodynamiikan toista lakia.
entropiaparametri on myös kaikkeuden satunnaisuuden mitta, ja toisen lain mukaan kaikkeuden satunnaisuus lisääntyy. Toisin sanoen, prosessien kehittyessä, maailmankaikkeuden elementit pyrkivät entistä sekavampaan tilaan.
vastaus kysymykseen ” What do we mean when we say we use energy?”on, että käytettävissä oleva energia käytetään ja muutetaan sitten poissa olevaksi energiaksi. Sähköenergia, potentiaalienergia, liike-energia ja kemiallinen energia polttoaineissa ovat kaikki käytettävissä olevat energiamuodot. Energiaa menetetään ilmakehään, kun lämpö tulee enimmäkseen poissa energiaa. Ilmakehästä on vaikea saada energiaa, koska lämpötila ei ole tarpeeksi korkea. Ilmakehään tai valtamereen menetetyn energian kumulatiivinen vaikutus on se, että se säteilee jatkuvasti myös muuhun maailmankaikkeuteen, jossa se on täysin poissa käytöstä. Termodynamiikan toinen laki hallitsee tätä prosessia.
termodynamiikan laeilla on paljon enemmän sovellutuksia kuin tässä on esitetty, mutta se on tämän kirjan ulottumattomissa. Tässä on yksinkertaisesti välttämätöntä saada hieman ymmärrystä termodynamiikan laeista, jotta energiaprosessit voidaan ymmärtää hieman paremmin.