a termodinamika második törvénye
a termodinamika második törvénye korlátozza az energiaátalakítási folyamatok hatékonyságát. Annak ellenére, hogy a hőként átadott energia valóban energiaátadás, van valami más a hőenergiában. A tudósok meghatározásának módja a hő némileg eltér attól, ahogyan a legtöbb ember megérti a hőt. Ha két különböző hőmérsékletű test érintkezésbe kerül egymással, akkor energiaátadás történik a forró testből a hideg testbe, és ez az átvitel addig folytatódik, amíg a két test azonos hőmérsékleten nem lesz. Ezt az energiaátadást hőnek nevezik. Az egyes testek hőmérséklete a “belső energiájának” köszönhető.”Ez az energia a rezgő és mozgó molekulák mozgási energiájaként tárolódik, és az anyag hőmérsékletének és nyomásának függvénye. Minél melegebb az anyag, annál gyorsabban mozognak a molekulák. Amikor az energia hő formájában kerül átadásra, a forróbb test elveszíti belső energiájának egy részét, a hidegebb test pedig belső energiát nyer. Ezért helytelen azt mondani, hogy a forró test hőt tartalmaz; belső energiát tartalmaz, és ennek az energiának egy részét hő formájában átviheti egy hidegebb testbe. A hidegebb test ezt az energiát belső energiává alakítja. Ennek a belső energiának az átadását nevezzük hőnek. Az olvasó most visszatérhet a termodinamika első törvényének előző szakaszához, és megnézheti a hő szóval kapcsolatos szándékos hibáimat. Például azt mondtam, hogy a napban ” a hidrogénatomok erős hő és nyomás alatt olvadnak össze, hogy héliumatomokat képezzenek.”Ez nem helyes; azt kellett volna mondanom, hogy “a hidrogénatomok nagyon magas hőmérsékleten és nyomáson olvadnak össze, hogy héliumatomokat képezzenek.”
három különböző hőátadási módszer létezik: vezetés, konvekció és sugárzás.
az, hogy mennyi hőt lehet átvinni két test között, a hőmérséklettől és a hőátadás módjától függ. A hőenergia nem alakítható át teljes egészében munka-vagy mechanikai energiává, villamos energiává vagy bármilyen más energiává. Ez nagy hatással van a hőmotorok hatékonyságára. Amikor az üzemanyagot hőmotorban égetik, az üzemanyagmolekulák kémiai kötéseiben tárolt kémiai energia felszabadul. Ez az energia hő formájában kerül a motorba; azonban nem minden hő átalakítható mechanikai energiává. Amikor az emberek kifejlesztették és megpróbálták tökéletesíteni a hőmotorokat, például a belső égésű motort, felfedezték ezt a korlátot, és meg kellett érteniük. Az eredmény a termodinamika második törvényének megfogalmazása volt.
az alapvető munka ezen a területen egy Sadi Carnot nevű francia mérnöknek köszönhető. 1824-ben publikált egy tanulmányt Reflections on the Motive Power of Fire and the Machines Needed to development This Power címmel. Ez a cikk azt az elképzelést mutatta be, hogy a hőmotor által végzett munka mennyisége a melegből a hideg testbe történő hőáramlásnak köszönhető. Carnot hővel kapcsolatos megértése még mindig a hő helytelen kalóriaelméletében merült fel, de következtetései továbbra is érvényesek voltak. Elemzése megállapította, hogy a hőmotorba átvihető elméleti hő arányos a hőforrás (a forró test) és a hűtőborda (a hideg test) közötti hőmérsékletkülönbséggel. Ez az elemzés lehetővé tette számára, hogy kiszámítsa a hőmotor elméleti hatékonyságát, amely sokkal alacsonyabbnak bizonyult, mint más energiaátalakítási folyamatok hatékonysága.
Carnot elemzésével több ember képes volt levezetni a termodinamika második törvényének különböző állításait. Ezek közül néhány:
lehetetlen a környezetben munkát végezni egyetlen hőtartályhoz kapcsolódó ciklikus eljárással (Thomson, 1851).
lehetetlen ciklikus eljárást végrehajtani két hőtartályhoz csatlakoztatott motorral, amelynek egyetlen hatása az alacsony hőmérsékletű tartályból a magas hőmérsékletű tartályba történő hőátadás (Clausius, 1854).
bármely folyamatban az univerzum entrópiája növekszik, aminek következtében a maximum felé hajlik (Clausius, 1865).
ez a harmadik állítás bevezeti az entrópia fogalmát, és matematikai alapokra helyezi a törvényt. Mivel bármely folyamat során átvitt hőmennyiség a hőt továbbító test hőmérsékletétől függ, az entrópiát úgy definiáljuk, mint az átvitt hő elosztva a T hőmérséklettel, amelyen átkerül. Az entrópia megadása az S szimbólummal, az átadott hő pedig a Q szimbólummal, definíció szerint:
az entrópia bizonyos megértése szükséges az energiafelhasználás korlátainak teljes megértéséhez. Ezt az A. függelék szemlélteti, és a következő szakaszban tárgyalja.
a termodinamika második törvényének egyik következménye az, hogy amikor üzemanyagot éget el hőmotor vezetésére, az üzemanyagból származó hőnek csak egy része alakítható át a motorban való működésre. A többit el kell utasítani egy hűtőbordába, amely általában a motort körülvevő légkör. Következésképpen a hőmotorok eredendően nem hatékonyak. Egy másik következmény az, hogy a ház fűtése elektromos fűtőelemmel sokkal drágább lesz, mint a legtöbb más üzemanyag használata. Ennek oka az, hogy a villamos energiát egy nem hatékony hőmotor segítségével hozták létre, ahol a hő egy részét el kellett utasítani a környezetbe. Ha a cél az, hogy növelje a hőmérséklet egy bizonyos helyet (például a ház), akkor jobb, ha éget egy üzemanyag közvetlenül, és elfog annyi, hogy a hő a házban, mint lehetséges. Az üzemanyag elégetésével történő közvetlen fűtés hatékonysága sokkal magasabb, mint a villamos energia előállítása, ahol a hő egy részét el kell veszíteni. Mindezt Sadi Carnot a Carnot-ciklus segítségével elemezte, és 1824-ben publikálta.
Sadi Carnot volt a legidősebb fia egy francia forradalmár nevű Lazare Carnot született június 1, 1796, a magassága a francia forradalom. Sadi 1812-ben kezdte meg tanulmányait az Evolution Polytechnique-n. Mire Sadi 1814-ben diplomázott, Napóleon birodalma menekülőben volt, és az európai hadseregek megszállták Franciaországot. Napóleon 1815-ös hatalomra való visszatérése során Sadi apja, Lazare Carnot, néhány hónapig belügyminiszter volt. Napóleon későbbi év végi vereségét követően Lazare Németországba menekült, soha nem tért vissza Franciaországba.
Sadi Carnot élete nagy részében katonatiszt volt, de 1819-ben leszerelt a hadseregtől, és figyelmét gőzgépek tervezésére fordította. Ezek a motorok voltak Európa, különösen Nagy-Britannia fő munkalovai, és bányákból, kikötőkből és folyókból származó víz szivattyúzására, búza őrlésére, fonásra és szövésre használták őket; azonban kissé hatástalanok voltak. A fejlettebb Brit gőzgépek behozatala Franciaországba a háború után megmutatta Carnotnak, hogy a franciák mennyire lemaradtak technológiájukban. Különösen megdöbbent, hogy a britek eddig néhány mérnök zsenialitásán keresztül haladtak, akiknek nem volt valódi tudományos végzettségük. A brit mérnökök megbízható adatokat gyűjtöttek és publikáltak a motorok tényleges működési körülményei közötti hatékonyságáról; vitatkoztak az alacsony és nagynyomású motorok, valamint az egyhengeres és a többhengeres motorok érdemeiről.
Carnot implicit módon megértette, hogy a nagy civilizációknak energiát kell felhasználniuk technológiájuk fejlesztéséhez. Meggyőződve arról, hogy Franciaország nem megfelelő gőzfelhasználása szerepet játszott annak bukásában, nem műszaki munkát kezdett írni a gőzgépek hatékonyságáról. Más munkások előtte megvizsgálták a gőzgépek hatékonyságának javítását azáltal, hogy összehasonlították a gőz tágulását és összenyomását a munka előállításával és az üzemanyag-fogyasztással. Az ő esszéjében, R adaptations sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres (gondolatok a hajtóerő a tűz és a gépek fejlesztéséhez szükséges ez a teljesítmény), megjelent 1824-ben, Carnot adott sok figyelmet az elmélet a folyamat nem vonatkozó magát, mint mások tették, annak mechanikai részleteket.
Carnot kijelentette, hogy egy gőzgépben a hajtóerő akkor keletkezik, amikor a hő a kazán magasabb hőmérsékletéről a kondenzátor alacsonyabb hőmérsékletére “esik”, ugyanúgy, mint amikor a víz esik, energiát szolgáltat a vízkerékben. A hő kalóriaelméletének elméleti keretein belül dolgozott, feltételezve, hogy a hő olyan gáz, amelyet sem létrehozni, sem megsemmisíteni nem lehet. Bár ez a feltételezés téves volt, és maga Carnot is kételkedett benne, még akkor is, amikor esszéjét írta, sok eredménye mindazonáltal igaz volt. Ezek egyike volt az a jóslata, hogy az idealizált motor hatékonysága csak a legforróbb és leghidegebb alkatrészek hőmérsékletétől függ, nem pedig az anyagtól (gőz vagy más folyadék), amely a mechanizmust hajtja.
Carnot megértette, hogy minden termodinamikai rendszer egy adott termodinamikai állapotban létezik. Amikor egy rendszert különböző állapotok sorozatán vesznek át, és végül visszatérnek eredeti állapotába, akkor azt mondják, hogy termodinamikai ciklus történt. Ennek a ciklusnak a folyamata során a rendszer munkát végezhet a környezetében, ezáltal hőmotorként működik. Az általa javasolt és az elemzésében használt ciklus ma már Carnot-ciklus néven ismert. A Carnot-cikluson áteső rendszert Carnot-hőmotornak nevezik, bár egy ilyen” tökéletes ” motor csak elméleti, és a gyakorlatban nem építhető meg.
a Carnot-ciklus matematikai részleteit az A. függelék mutatja be, de nem szükséges teljes mértékben megérteni ezeket a részleteket annak hasznosságának értékeléséhez. A Carnot-ciklus, amikor hőmotorként működik, a következő négy lépésből áll:
a munkafolyadék reverzibilis és Izotermikus tágulása a “forró” hőmérsékleten, TH (izotermikus hő hozzáadása). Ebben a lépésben az üzemanyagot elégetik, létrehozva a forró hőmérsékletet, ami a munkafolyadék vagy a gáz tágulását okozza. A táguló gáz miatt a motor dugattyúja működik a környéken. Mivel a dugattyú kénytelen mozogni,egy tengelyt hajt, amely a munkát kinetikus energiává alakítja. A gáztágulást az égő üzemanyag által létrehozott magas hőmérsékletű tartályból származó hő abszorpciója hajtja.
a munkaközeg reverzibilis és adiabatikus (izentropikus) expanziója (izentropikus munka kimenet). Ne feledje, hogy az adiabatikus azt jelenti, hogy nincs hőátadás. Az izentropikus azt jelenti, hogy a rendszer entrópiája állandó marad. Ennél a lépésnél feltételezzük, hogy a dugattyú és a henger hőszigetelt (adiabatikus), így nem nyernek és nem veszítenek hőt. A gáz tovább bővül, dolgozik a környéken. Amikor a gáz kitágul, az is lehűl, energiát veszít. Mivel azonban a folyamat szigetelt, nem veszítheti el ezt az energiát hőként. Ez arra kényszeríti a gázt, hogy a dugattyú vezetésével folytassa a munkát. A gáz ilyen tágulása miatt a “hideg” hőmérsékletre, TC-re hűl.
a gáz reverzibilis izotermikus kompressziója “hideg” hőmérsékleten, TC (izotermikus hőelutasítás). Ebben a lépésben a környezet működik a gázon, ami miatt bizonyos mennyiségű hő áramlik ki a gázból az alacsony hőmérsékletű tartályba.
a gáz izentropikus összenyomása (izentropikus munka bemenet). Ismét feltételezzük, hogy a dugattyú és a henger hőszigetelt (vagy adiabatikus). Ebben a lépésben a környezet a dugattyún keresztül dolgozik a gázon, összenyomja azt, és a hőmérséklet TH-ra emelkedik. Ezen a ponton a gáz ugyanabban az állapotban van, mint az első lépés elején.
a hőmotor ellentéte hűtőszekrény. A hőmotor egy termodinamikai ciklus részeként üzemanyagot éget el, hogy mechanikai energiává alakuló hőt hozzon létre. A hűtőszekrény az ellenkező irányba küldi a ciklust, és elektromos energiát használ, hogy mechanikai energiát hozzon létre, amely aztán a hőt a hideg testből a forróbb testbe pumpálja.
a hőmotor hatásfoka, 6, úgy határozható meg, mint az előállított munka elosztva a forró tartályból származó hőbevitellel. Az A. függelékben a hatásfokot a következőképpen számítják ki:
ahol
W a rendszer által végzett munka (a rendszerből munka közben kilépő energia).
QH a rendszerbe helyezett hő (a rendszerbe belépő hőenergia).
TC a hideg tartály abszolút hőmérséklete.
TH A forró tartály abszolút hőmérséklete.
ez a hatásfok a forró tartályból kinyert és mechanikai munkává alakított hőenergia hányadát írja le. A Rankine-ciklus általában a Carnot-ciklus gyakorlati közelítése a gőzgép. Az A. függelékben látható, hogy a th és TC hőmérséklet között működő bármely ciklus esetében egyik sem haladhatja meg a Carnot-ciklus hatékonyságát.
a Carnot-tétel ennek a ténynek a hivatalos megállapítása: két hőtároló között működő motor nem lehet hatékonyabb, mint az ugyanazon tározók között működő Carnot-motor. A 3.1 egyenlet megadja a motor maximális hatékonyságát a megfelelő hőmérsékletek alkalmazásával. A következmény nak nek Carnot tétele kimondja, hogy: Az ugyanazon hőtartályok között működő összes reverzibilis motor ugyanolyan hatékony. A 3.1 egyenlet jobb oldala megadja az egyenlet talán könnyebben érthető formáját: a hőmotor elméleti maximális hatékonysága megegyezik a meleg és hideg tartály közötti hőmérsékletkülönbséggel osztva a forró tartály abszolút hőmérsékletével. Az abszolút hőmérséklet Kelvin-fokban történő meghatározásához adjunk hozzá 273,15 xhamsteret a Celsius-hőmérséklethez. Az abszolút hőmérséklet Rankine-fokban történő meghatározásához adjunk hozzá 459,6 xhamsteret a Fahrenheit-hőmérséklethez. Nézzük a képletet a 3. egyenletben.1, egy érdekes tény nyilvánvalóvá válik. A hideg tartály hőmérsékletének csökkentése nagyobb hatással lesz a hőmotor mennyezeti hatékonyságára, mint a forró tartály hőmérsékletének azonos mértékű emelése. A való világban ezt nehéz lehet elérni, mivel a hideg tartály gyakran meglévő környezeti hőmérséklet, például a légkör.
más szavakkal, a maximális hatékonyság akkor érhető el, ha a ciklusban nem jön létre új entrópia. A gyakorlatban a felesleges entrópia ártalmatlanításához szükséges hőmennyiség a környezetbe a hatékonyság csökkenéséhez vezet. A 3.1 egyenlet megadja bármely elméletileg reverzibilis hőmotor hatékonyságát.
Carnot rájött, hogy a valóságban nem lehet termodinamikailag reverzibilis motort építeni. A valódi hőmotorok kevésbé hatékonyak, mint amit a 3.1 egyenlet jelez. Ennek ellenére a 3.1 egyenlet rendkívül hasznos annak a maximális hatásfoknak a meghatározásához, amely egy adott hőtároló-készletre valaha is várható.
négy gyakorlati hőmotor-ciklus van széles körben használatban, amelyek mindegyike megpróbálja közelíteni a Carnot termodinamikai ciklust. Ezek
az Otto ciklus, amely a benzinmotor alapja.
a dízel ciklus, forgalomba a dízelmotor.
a Rankine-ciklus, az erőművekben ma széles körben használt gőzgépek alapja villamos energia előállítására.
a Brayton-ciklus használt gázturbinák, amelyek villamos energia előállítására vagy tolóerő.
van még a Stirling-ciklus, amely felhasználható praktikus külső égésű hőmotor készítésére, de ezt a motort soha nem forgalmazták. Ennek ellenére nagy az érdeklődés a Stirling motorok fejlesztése iránt, mivel az ilyen motorok meghajtására sokféle üzemanyag használható, beleértve a napenergiát is. A Stirling motor a Rankine ciklusú motor alternatívája.
a második törvény entrópia-állítása lehetővé teszi a tudósok számára, hogy elemezzék a kémiai reakciókat, a folyadékok fázis viselkedését és sok más, látszólag nem kapcsolódó folyamatot. Azt is megmagyarázza, hogy az emberek miért mondják, hogy energiát használnak, amikor ténylegesen átalakítják az energiát egyik formából a másikba. Amikor az üzemanyagot energia előállításához elégetik, a kémiai energiát hővé alakítják, majd ennek a hőenergiának egy részét villamos energiává alakítják. Néhányat elutasítanak a légkörbe is, ahol már nem használható. Ez az elektromosság fényt hoz létre egy villanykörtében, amely hőként is elvész a légkörben.
ha az üzemanyagot egy belső égésű motor meghajtására használják, miután a hő egy része a légkörbe kerül, akkor az üzemanyag többi energiája hasznos és használható mozgási energiát hoz létre. Ez a kinetikus energia végül súrlódási hőként elvész, amelyet a légkör is elveszít. Az összes energia, amelyet “használunk”, hővé válik, amelyet többnyire a légkörbe juttattak, amelynek egy részét az űrben sugározzák az univerzum más részeire.
a termodinamika első és második törvényének másik következménye, hogy az Örökmozgó gépek nem lehetségesek. Az első törvény egyszerűen kimondja, hogy ha egy gépet mozgásba hozunk azzal, hogy energiával látjuk el, az örökké működhet súrlódásmentes környezetben. Nem tudna több energiát kinyerni belőle, mint amennyit betesz, mert ez megsértené az első törvényt. A második törvény azt mondja, hogy még annyit sem lehet kihozni, amennyit betesz, mert az energia egy része súrlódás útján hőveszteségként elvész. Az Örökmozgó gépek két kategóriába sorolhatók: azok, amelyek megsértik a termodinamika első törvényét, és azok, amelyek megsértik a termodinamika második törvényét.
az entrópia paraméter az univerzum véletlenszerűségének mértéke is, a második törvény pedig kimondja, hogy az univerzum véletlenszerűsége növekszik. Más szavakkal, ahogy a folyamatok kibontakoznak, az univerzum elemei rendezetlenebb állapotba kerülnek.
a válasz a kérdésre: “mit értünk, amikor azt mondjuk, hogy energiát használunk?”az, hogy a rendelkezésre álló energiát felhasználják, majd átalakítják elérhetetlen energiává. Az elektromos energia, a potenciális energia, a kinetikus energia és a kémiai energia az üzemanyagokban mind rendelkezésre álló energiaformák. A légkörbe elveszített energia, mivel a hő többnyire elérhetetlen energiává válik. Nehéz energiát kinyerni a légkörből, mert a hőmérséklet nem elég magas. A légkörbe vagy az óceánba elvesztett energia kumulatív hatása az, hogy folyamatosan sugárzik az univerzum többi részébe is, ahol teljesen elérhetetlenné válik. A termodinamika második törvénye szabályozza ezt a folyamatot.
a termodinamika törvényeinek sokkal több alkalmazása van, mint amennyit itt bemutattak, de ez túlmutat e könyv keretein. Itt egyszerűen meg kell érteni a termodinamika törvényeit, hogy az energiafolyamatok egy kicsit jobban megérthetők legyenek.