열역학 제 2 법칙
열역학 제 2 법칙은 에너지 변환 과정이 얼마나 효율적 일 수 있는지에 대한 한계를 둔다. 열로 전달 된 에너지가 실제로 에너지 전달 임에도 불구하고 열 에너지에 대해 다른 것이 있습니다. 과학자들이 열을 정의하는 방식은 대부분의 사람들이 열을 이해하는 방식과 다소 다릅니다. 온도가 다른 두 몸체가 서로 접촉하면 뜨거운 몸체에서 차가운 몸체로 에너지가 전달되고 그 전달은 두 몸체가 같은 온도가 될 때까지 계속됩니다. 이 에너지 전달을 열이라고합니다. 각 몸의 온도는 그것의”내부 에너지 때문이.”이 에너지는 진동 및 이동 분자의 운동 에너지로 저장되며 재료의 온도와 압력의 함수입니다. 물질이 뜨거울수록 분자가 더 빨리 움직입니다. 에너지가 열로 옮겨질 때,더 뜨거운 몸은 그것의 내부 에너지의 어떤을 잃고 더 찬 몸은 약간 내부 에너지를 얻는다. 따라서 뜨거운 몸에 열이 포함되어 있다고 말하는 것은 잘못된 것입니다.그것은 내부 에너지를 포함하고 그 에너지의 일부를 더 차가운 몸에 열로 전달할 수 있습니다. 차가운 몸은 그 에너지를 내부 에너지로 변환합니다. 그 내부 에너지의 전달은 열이라고 불리는 것입니다. 독자는 지금 열역학 첫번째 법률에 이전 단면도에 돌아가고 낱말 열에 관하여 쓰여진 나의 신중한 과실을 전부 볼 수 있다. 예를 들면,나는 태양에서”수소 원자가 헬륨 원자를 형성하는 강렬한 열 및 압력의 밑에 함께 융합된ㄴ다는 것을 말했다.”이것은 정확하지 않다;나는”수소 원자가 헬륨 원자를 형성하는 아주 고열과 압력에 함께 융합된ㄴ다는 것을 말했음에 틀림없다.”
전도,대류 및 복사의 세 가지 열 전달 방법이 있습니다.
두 몸체 사이에서 얼마나 많은 열을 전달할 수 있는지는 온도와 열 전달 방법에 따라 다릅니다. 열 에너지는 작업이나 기계적 에너지,전기 또는 다른 형태의 에너지로 완전히 변환 될 수 없습니다. 이 열 엔진의 효율에 큰 영향을 미친다. 연료가 열 엔진에서 점화될 때,연료 분자의 화학 결합에서 저장되는 화학 에너지는 풀어 놓입니다. 이 에너지는 열로 엔진에 전달된다;그러나,그 모든 열이 기계적 에너지로 변환 될 수있는 것은 아닙니다. 사람들이 내연 기관과 같은 완벽한 열 엔진을 개발하고 시도 할 때,그들은이 한계를 발견하고 그것을 이해해야했습니다. 그 결과 열역학 제 2 법칙이 공식화되었습니다.
이 분야의 독창적 인 작업은 사디 카르노라는 프랑스 엔지니어 때문이었습니다. 1824 년에 그는 화재의 원동력과이 힘을 개발하는 데 필요한 기계에 대한 반성이라는 제목의 논문을 발표했습니다. 이 논문은 열 엔진에 의해 수행되는 작업의 양이 뜨거운 몸에서 차가운 몸으로의 열 흐름으로 인한 것이라는 아이디어를 제시했습니다. 열에 대한 카르노의 이해는 여전히 열의 잘못된 칼로리 이론에 빠져 있었지만 그의 결론은 여전히 유효했습니다. 그의 분석은 열 엔진으로 전달 될 수있는 이론적 인 열이 열원(뜨거운 몸체)과 방열판(차가운 몸체)사이의 온도 차이에 비례한다고 결정했습니다. 이 분석을 통해 그는 열 엔진의 이론적 효율을 계산할 수 있었으며 다른 에너지 변환 프로세스의 효율보다 훨씬 낮은 것으로 나타났습니다.
카르노의 분석을 통해 몇몇 사람들은 열역학 제 2 법칙의 다른 진술을 추론 할 수있었습니다. 이들 중 일부는 다음과 같습니다:
단일 열 저장고에 연결된 순환 공정을 사용하여 주변 환경에서 작업을 생성하는 것은 불가능하다(톰슨,1851).
두 개의 열 저장소에 연결된 엔진을 사용하여 순환 과정을 수행하는 것은 불가능하며,그 유일한 효과는 저온 저장소에서 고온 저장소로 열의 양을 전달하는 것입니다(클라우 시우스,1854).
어떤 과정에서든,우주의 엔트로피가 증가하여,우주의 엔트로피가 최대로 향하게 된다(클라우 시우스,1865).
이 세 번째 진술은 엔트로피의 개념을 소개하고 법칙을보다 수학적 기초로 삼습니다. 어떤 과정에서 전달되는 열의 양은 열을 전달하는 신체의 온도에 달려 있기 때문에 엔트로피는 전달되는 열을 온도로 나눈 값으로 정의됩니다. 엔트로피에 대한 특정 이해는 에너지 사용의 한계를 완전히 이해하는 데 필요합니다. 이것은 부록 1 에 설명되어 있으며 다음 단원에서 설명합니다.
열역학 제 2 법칙의 결과 중 하나는 열 엔진을 구동하기 위해 연료를 태울 때 연료의 일부만 엔진에서 작동하도록 변환 될 수 있다는 것입니다. 나머지는 보통 엔진을 포위하는 대기권인 열 싱크에 거절되어야 합니다. 결과적으로 열 엔진은 본질적으로 비효율적입니다. 또 다른 결과는 전기 가열 요소로 집을 난방하는 것이 대부분의 다른 연료를 사용하는 것보다 훨씬 비쌀 것입니다. 이것은 전기가 열의 어떤이 주변에 거절되어야 한 곳에 효과 없는 열 엔진을 사용하여 창조되었기 때문이다. 너의 목표가 약간 공간의 온도를 증가한것을 이으면(너의 집),연료를 직접적으로 점화하,가능한것과 같이 너의 집안에 저 열의 그와같이 붙잡는것은 낫다. 연료를 태워서 직접 가열하는 효율은 일부 열이 손실되어야하는 전기를 만드는 것보다 훨씬 높습니다. 이 모든 것은 사디 카르노 그의 카르노 사이클을 사용하여 1824 년에 출판되었습니다.
사디 카르노는 라자르 카르노라는 프랑스 혁명가의 장남이었으며 1796 년 6 월 1 일 프랑스 혁명의 절정기에 태어났다. 사디는 1812 년에 시작된 콜 폴리 테크닉. 1814 년 사디가 졸업할 무렵,나폴레옹의 제국은 운영 중이었고 유럽 군대는 프랑스를 침공했다. 1815 년 나폴레옹이 권력을 되찾는 동안 사디의 아버지 라자르 카르노는 몇 달 동안 내무부 장관이었다. 그 해 나폴레옹의 마지막 패배 이후 라자르는 독일로 도망 쳤고 결코 프랑스로 돌아 가지 않았습니다.
사디 카르노 그의 삶의 대부분을 위해 육군 장교였다,그러나 1819 년에 그는 군대에서 준 피로 증기 엔진을 설계에 자신의 관심을 헌신하기 시작했다. 이 엔진은 유럽,특히 영국의 주요 일원이었으며 광산에서 물 펌핑,항구와 강 준설,밀 연삭,방적 및 직물 직조에 사용되었지만 다소 비효율적이었습니다. 전쟁 후 프랑스로 고급 영국 증기 엔진의 수입은 프랑스가 자신의 기술에 뒤 떨어진 얼마나 카르노를 보여 주었다. 그는 특히 그 영국은 지금까지 실제 과학 교육 부족 몇 엔지니어의 천재를 통해 진행했다 당황했다. 영국 엔지니어들은 또한 실제 작동 조건에서 많은 유형의 엔진의 효율성에 대한 신뢰할 수있는 데이터를 축적하고 발표했으며 저압 및 고압 엔진과 단일 실린더 및 다중 실린더 엔진의 장점에 대해 논쟁했습니다.
카르노는 위대한 문명이 기술을 발전시키기 위해 에너지를 활용할 필요가 있다는 것을 암묵적으로 이해했다. 프랑스의 부적절한 증기 활용이 그 몰락의 요인이라고 확신하면서 그는 증기 엔진의 효율성에 대한 비 기술적 인 작업을 쓰기 시작했습니다. 그 이전의 다른 노동자들은 증기의 팽창과 압축을 작업 생산 및 연료 소비와 비교하여 증기 엔진의 효율성을 향상시키는 문제를 조사했습니다. 1824 년에 출판된 카르노는 다른 사람들이 그랬던 것처럼 자기 자신에 관한 것이 아니라 그 과정에 대한 이론에 많은 관심을 기울였다.
카르노는 증기기관에서는 보일러의 고온에서 응축기의 저온으로 열이 떨어질 때 원동력이 생성되며,물이 떨어질 때 물류관에 동력이 공급되는 것처럼,원동력은 응축기의 고온으로 방출된다. 그는 열의 열량 이론의 이론적 틀 안에서,그 열이 생성되거나 파괴 될 수있는 가스라고 가정했다. 이 가정이 잘못되었고 카르노 자신이 에세이를 쓰는 동안에도 그것에 대해 의문을 가졌지 만,그의 결과 중 많은 부분이 그럼에도 불구하고 사실이었습니다. 이 중 하나는 이상적인 엔진의 효율이 가장 뜨겁고 차가운 부품의 온도에만 의존하며 메커니즘을 구동하는 물질(증기 또는 기타 유체)이 아닌 그의 예측이었습니다.
카르노는 모든 열역학적 시스템이 특정 열역학적 상태로 존재한다는 것을 이해했다. 시스템이 일련의 다른 상태를 거쳐 마침내 초기 상태로 돌아 오면 열역학적 사이클이 발생했다고합니다. 이 사이클을 통과하는 과정에서 시스템은 주변 환경에서 작업을 수행하여 열 엔진으로 작동 할 수 있습니다. 그가 제안하고 그의 분석에 사용한 사이클은 이제 카르노 사이클로 알려져 있습니다. 이러한”완벽한”엔진은 이론적이며 실제로 구축 할 수 없지만 카르노 사이클을 겪고있는 시스템을 카르노 열 엔진이라고합니다.
카르노 사이클의 수학적 세부 사항은 부록 1 에 나와 있지만,그 유용성을 이해하기 위해 그 세부 사항을 완전히 이해할 필요는 없다. 열 엔진으로 작동 할 때 카르노 사이클은 다음 네 단계로 구성됩니다:
“고온”온도에서의 작동 유체의 가역적 및 등온 팽창,토륨(등온 열 첨가). 이 단계 도중,연료는 뜨거운 온도를 창조하고 작동 유체 또는 가스가 팽창하는 원인이 되는 점화됩니다. 팽창 가스는 엔진의 피스톤이 주변에 작동 할 수 있습니다. 피스톤이 움직이기 때문에,운동 에너지로 일을 개조하는 갱구를 몹니다. 가스 팽창은 연소 연료에 의해 생성 된 고온 저장조로부터의 열 흡수에 의해 추진된다.
작동 유체의 가역적 및 단열(등방성)팽창(등방성 작업 출력). 열전달 아무 열도 없다는 것을 단열적인 평균이 다는 것을 기억하십시오. 이소 트로픽은 시스템의 엔트로피가 일정하게 유지된다는 것을 의미합니다. 이 단계를 위해,피스톤 및 실린더는(단열적인)열으로 격리되는 가정됩니다,따라서 그들은 열을 얻거나 잃지 않습니다 어느 쪽도 아니. 가스는 계속 확장되어 주변 환경에서 작동합니다. 가스가 팽창 할 때 그것은 또한 냉각되어 에너지를 잃습니다. 그러나 프로세스가 절연되어 있기 때문에 열로 에너지를 잃을 수 없습니다. 이 피스톤을 구동하여 작업을 계속 할 가스를 강제로. 이 가스의 팽창은”차가운”온도로 냉각되도록합니다.
“차가운”온도에서의 가스의 가역적 등온 압축,티씨(등온 열 거부). 이 단계에서 주변은 가스에서 작동하며,이로 인해 많은 양의 열이 가스에서 저온 저장소로 흘러 나옵니다.
가스의 등방성 압축(등방성 작업 입력). 다시 한번,피스톤 및 실린더는 열 절연(또는 단열)으로 가정됩니다. 이 단계 동안,주변,피스톤을 통해,가스에 대한 작업을 수행,그것을 압축하고 온도가 토륨에 상승 원인. 이 시점에서 가스는 1 단계 시작과 동일한 상태에 있습니다.
열 엔진의 반은 냉장고이다. 열 엔진은 열역학적 사이클의 일부로 연료를 연소시켜 기계적 에너지로 변환되는 열을 생성합니다. 냉장고는 반대 방향에 있는 주기를 보내고 그 후에 찬 몸에서 더 뜨거운 몸에 열을 양수하는 역학적 에너지를 창조하기 위하여 전기 에너지를 이용합니다.
열기관의 효율은,생성된작업을 뜨거운 저장조로부터의 열입력으로 나눈 것으로 정의된다. 부록 1 에서 효율은 다음과 같이 계산된다:
여기서
는 시스템에 의해 수행된 작업이다(시스템에서 작동하는 에너지).
는 시스템에 투입되는 열(시스템에 유입되는 열 에너지)입니다.
는 차가운 저수지의 절대 온도입니다.
일은 뜨거운 공기통의 절대 온도입니다.
이 효율은 뜨거운 저장소에서 추출되어 기계 작업으로 변환 된 열 에너지의 일부를 설명합니다. 랭킨 사이클은 일반적으로 증기 엔진에 대한 카르노 사이클의 실용적인 근사치입니다. 그것은 표시 됩니다.,부록에,그 온도 일 사이 작동 하는 모든 사이클에 대 한,아무도 카르노 사이클의 효율성을 초과할 수 있습니다..
카르노의 정리는 이 사실에 대한 공식적인 진술이다:두 개의 열 저장소 사이에서 작동하는 엔진은 동일한 저장소 사이에서 작동하는 카르노 엔진보다 더 효율적일 수 없다. 방정식 3.1 은 해당 온도를 사용하는 모든 엔진에 대해 가능한 최대 효율을 제공합니다. 에 대한 추론 카르노 정리 상태: 동일한 열 저장소 사이에서 작동하는 모든 가역 엔진은 똑같이 효율적입니다. 방정식 3.1 의 오른쪽은 더 쉽게 이해할 수있는 방정식의 형태를 제공합니다:열 엔진의 이론적 인 최대 효율은 고온 저장소의 절대 온도로 나눈 고온 저장소의 온도 차이와 같습니다. 절대 온도를 켈빈도 단위로 찾으려면 섭씨 온도에 273.15 를 더하십시오. 랭킨 도의 절대 온도를 찾으려면 화씨 온도에 459.6 을 더하십시오. 방정식 3 의 공식을 보면1,흥미로운 사실이 분명해진다. 차가운 저수지의 온도를 낮추는 것은 뜨거운 저수지의 온도를 같은 양으로 높이는 것보다 열 엔진의 천장 효율에 더 많은 영향을 미칩니다. 실사회안에,찬 공기통이 수시로 대기권 기존하는 주위 온도 이기 때문에 이것은 달성하기 곤란할지도 모른다.
즉,사이클에 새로운 엔트로피가 생성되지 않으면 최대 효율이 달성된다. 실제로,과도한 엔트로피를 처리하기 위해 필요한 열을 환경으로 투기하면 효율성이 저하됩니다. 방정식 3.1 은 이론적으로 가역적 인 열 엔진의 효율을 제공합니다.
카르노는 실제로 열역학적으로 뒤집을 수 있는 엔진을 만들 수 없다는 것을 깨달았다. 실제 열 엔진은 방정식 3.1 에 표시된 것보다 덜 효율적입니다. 그럼에도 불구하고 방정식 3.1 은 주어진 열 저장소 세트에 대해 예상 할 수있는 최대 효율을 결정하는 데 매우 유용합니다.
오늘날 널리 사용되는 네 가지 실제 열 엔진 사이클이 있으며,각 사이클은 카르노 열역학적 사이클에 근접하려고합니다. 그들은
가솔린 엔진의 기초 인 오토 사이클입니다.
디젤 엔진에서 상용화 된 디젤 사이클.
랭킨 사이클은 오늘날 발전소에서 전기를 생성하기 위해 널리 사용되는 증기 엔진의 기초입니다.
전기를 생성하거나 추력을 제공하는 데 사용되는 가스 터빈에 사용되는 브레이튼 사이클.
실제 외부 연소 열 엔진을 만드는 데 사용할 수있는 스털링 사이클도 있지만,이 엔진은 상용화 된 적이 없습니다. 이에도 불구 하 고 다양 한 연료 태양 에너지를 포함 하 여 이러한 엔진을 구동 하는 데 사용할 수 있기 때문에 스털링 엔진 개발에 많은 관심이 있다. 스털링 엔진은 랭킨 사이클 엔진의 대안입니다.
제 2 법칙의 엔트로피 진술은 또한 과학자들이 화학 반응,유체의 위상 거동 및 다른 많은 겉보기에 연결되지 않은 과정을 분석 할 수있게합니다. 또한 사람들이 실제로 에너지를 한 형태에서 다른 형태로 변환 할 때 에너지를 사용한다고 말하는 이유를 설명합니다. 에너지를 생성하기 위해 연료가 연소되면 화학 에너지가 열로 변환 된 다음 그 열 에너지의 일부가 전기로 변환됩니다. 그 중 일부는 더 이상 사용할 수없는 대기로 거부됩니다. 이 전기는 또한 대기권에 열로 분실되는 전구에 있는 빛을 창조합니다.
일부 열이 대기 중으로 거부 된 후 내연 기관에 연료를 사용하여 자동차를 운전하면 나머지 연료 에너지는 유용하고 사용 가능한 운동 에너지를 생성합니다. 그 모든 운동 에너지는 결국 마찰열로 손실되며,이는 또한 대기로 손실됩니다. 우리가”사용하는”모든 에너지는 대부분 대기로 전달 된 열로 손실되며,그 중 일부는 공간을 통해 우주의 다른 부분으로 방사됩니다.
열역학 제 1 법칙과 제 2 법칙의 또 다른 결과는 영구 운동 기계가 불가능하다는 것이다. 첫 번째 법칙은 단순히 에너지를 공급하여 움직이는 기계를 설정하면 마찰이없는 환경에서 영원히 계속 작동 할 수 있다고 말합니다. 그 첫 번째 법칙을 위반 하기 때문에 넣어 보다 더 많은 에너지를 다시 그것을 밖으로 추출할 수 없습니다. 두 번째 법칙은 에너지의 일부가 마찰을 통해 열로 손실되기 때문에 당신이 넣어만큼 밖으로 얻을 수 없다고 말한다. 영구 운동 기계는 열역학 제 1 법칙을 위반하는 기계와 열역학 제 2 법칙을 위반하는 기계의 두 가지 범주로 나뉩니다.
엔트로피 매개 변수는 또한 우주의 임의성의 척도이며,제 2 법칙은 우주의 임의성이 증가하고 있다고 말합니다. 즉,프로세스가 전개됨에 따라 우주의 요소는 더 무질서한 상태로 경향이 있습니다.
“우리가 에너지를 사용한다고 말할 때 우리는 무엇을 의미합니까?”사용 가능한 에너지가 사용 된 다음 사용할 수없는 에너지로 변환된다는 것입니다. 연료의 전기 에너지,위치 에너지,운동 에너지 및 화학 에너지는 모두 사용 가능한 형태의 에너지입니다. 열이 대부분 사용할 수없는 에너지가됨에 따라 대기로 손실 된 에너지. 온도가 충분히 높지 않기 때문에 대기로부터 에너지를 추출하는 것은 어렵습니다. 대기 또는 바다에 손실 된 에너지의 누적 효과는 또한 지속적으로 완전히 사용할 수 없게됩니다 우주의 나머지 부분에 방사된다는 것입니다. 열역학 제 2 법칙이 이 과정을 지배한다.
열역학 법칙은 여기에 나타난 것보다 더 많은 응용을 가지고 있지만,그것은 이 책의 범위를 벗어난다. 여기서 에너지 과정을 조금 더 잘 이해할 수 있도록 열역학 법칙을 조금 이해하는 것이 필요합니다.