Termodynamikkens Andre Lov
termodynamikkens andre lov setter en grense for hvor effektive energikonverteringsprosessene kan være. Selv om energi overført som varme er faktisk energioverføring, er det noe annerledes med varmeenergi. Måten forskere definerer varme er noe annerledes enn måten folk flest forstår varme. Hvis to legemer med forskjellige temperaturer er plassert i kontakt med hverandre, vil det bli en overføring av energi fra den varme kroppen til den kalde kroppen, og denne overføringen vil fortsette til de to legemene har samme temperatur. Denne overføringen av energi kalles varme. Temperaturen i hver kropp er på grunn av sin » indre energi.»Denne energien lagres som den kinetiske energien til vibrerende og bevegelige molekyler og er en funksjon av temperaturen og trykket i materialet. Jo hetere materialet, desto raskere beveger molekylene seg. Når energi overføres som varme, mister den varmere kroppen noe av sin indre energi, og den kaldere kroppen får litt intern energi. Det er derfor feil å si at en varm kropp inneholder varme; den inneholder intern energi, og den kan overføre noe av den energien til en kaldere kropp som varme. Den kaldere kroppen konverterer deretter den energien til intern energi. Overføringen av den indre energien er det som kalles varme. Leseren kan nå gå tilbake til forrige avsnitt om termodynamikkens første lov og se alle mine bevisste feil skrevet om ordet varme. For eksempel sa jeg at i solen «hydrogenatomer smeltes sammen under intens varme og trykk for å danne heliumatomer.»Dette er ikke riktig; jeg burde ha sagt at» hydrogenatomer smeltes sammen ved svært høye temperaturer og trykk for å danne heliumatomer.»
det er tre forskjellige varmeoverføringsmetoder: ledning, konveksjon og stråling.
hvor mye varme som kan overføres mellom to legemer, avhenger av temperaturen og metoden for varmeoverføring. Varmeenergi kan ikke konverteres helt til arbeid eller mekanisk energi, elektrisitet eller annen form for energi. Dette har stor innvirkning på effektiviteten til varmemotorer. Når drivstoff brennes i en varmemotor, frigjøres den kjemiske energien som er lagret i de kjemiske bindingene til drivstoffmolekylene. Denne energien overføres til motoren som varme; imidlertid kan ikke all den varmen omdannes til mekanisk energi. Når folk utviklet og prøvde å perfeksjonere varmemotorer, som forbrenningsmotoren, oppdaget de denne begrensningen og måtte forstå den. Resultatet var formuleringen av termodynamikkens andre lov.
det banebrytende arbeidet på dette området skyldtes en fransk ingeniør Kalt Sadi Carnot. I 1824 publiserte Han En artikkel med tittelen Reflections on The Motive Power Of Fire and The Machines Needed To Developing This Power. Dette papiret presenterte ideen om at mengden arbeid utført av en varmemotor skyldes strømmen av varme fra en varm til en kald kropp. Carnots forståelse av varme var fortsatt fast i feil kaloriteori om varme, men hans konklusjoner var fortsatt gyldige. Hans analyse fastslått at den teoretiske varmen som kunne overføres til varmemotoren, var proporsjonal med temperaturforskjellen mellom varmekilden (den varme kroppen) og kjølebrønnen (den kalde kroppen). Denne analysen tillot ham å beregne den teoretiske effektiviteten til en varmemotor, som viste seg å være mye lavere enn effektiviteten til andre energikonverteringsprosesser.
ved Hjelp Av Carnots analyse kunne flere personer utlede forskjellige uttalelser fra termodynamikkens andre lov. Noen av disse er:
det er umulig å produsere arbeid i omgivelsene ved hjelp av en syklisk prosess koblet til et enkelt varmereservoar (Thomson, 1851).
det er umulig å utføre en syklisk prosess ved hjelp av en motor koblet til to varmereservoarer som vil ha som eneste effekt overføring av en mengde varme fra lavtemperaturreservoaret til høytemperaturreservoaret (Clausius, 1854).
i enhver prosess øker universets entropi, noe som får det til å ha en tendens til et maksimum (Clausius, 1865).
denne tredje setningen introduserer begrepet entropi og setter loven på en mer matematisk basis. Siden mengden varme som overføres i en hvilken som helst prosess, avhenger av temperaturen i kroppen som overfører varmen, er entropi definert som varmen som overføres dividert med temperaturen, T, hvor den overføres. Å gi entropi symbolet S og varmen overførte symbolet Q, per definisjon:
en viss forståelse av entropi er nødvendig for å forstå begrensningene i energiforbruket fullt ut. Dette er illustrert I Vedlegg A og omtalt i neste avsnitt.
en av konsekvensene av termodynamikkens andre lov er at når du brenner drivstoff for å kjøre en varmemotor, kan bare noe av varmen fra drivstoffet konverteres til arbeid i motoren. Resten må avvises til en kjøleribbe, som vanligvis er atmosfæren rundt motoren. Følgelig er varmemotorer iboende ineffektive. En annen konsekvens er at oppvarming av huset ditt med et elektrisk varmeelement skal være mye dyrere enn å bruke de fleste andre drivstoff. Dette skyldes at strømmen er opprettet ved hjelp av en ineffektiv varmemotor der noe av varmen måtte avvises til omgivelsene. Hvis målet ditt er å øke temperaturen på noen plass( for eksempel huset ditt), er det bedre å brenne et drivstoff direkte og fange så mye av den varmen i huset ditt som mulig. Effektiviteten av direkte oppvarming ved å brenne et drivstoff er mye høyere enn å skape elektrisitet der noe av varmen må gå tapt. Alt dette ble analysert Av Sadi Carnot ved hjelp Av Sin Carnot-syklus og publisert i 1824.
Sadi Carnot var eldste sønn av En fransk Revolusjonær Kalt Lazare Carnot og ble født 1. juni 1796, under høyden av den franske Revolusjonen. Sadi studerte Ved É Polytechnique begynnelsen i 1812. Da Sadi ble uteksaminert i 1814, Var Napoleons imperium på rømmen og Europeiske hærer invaderte Frankrike. Under Napoleons tilbakekomst til makten i 1815 var Sadis far, Lazare Carnot, Innenriksminister i noen måneder. Etter Napoleons siste nederlag senere samme år, Flyktet Lazare til Tyskland, aldri å returnere Til Frankrike.
Sadi Carnot var en offiser i hæren for det meste av sitt liv, men i 1819 han semiretired fra hæren og begynte å vie sin oppmerksomhet til å designe dampmaskiner. Disse maskinene var de viktigste arbeidshestene I Europa, spesielt Storbritannia, og ble brukt til å pumpe vann fra gruver, mudring havner og elver, sliping hvete, og spinning og veving klut; derimot, de var noe ineffektiv. Import av De mer avanserte Britiske dampmaskiner Til Frankrike etter krigen viste Carnot hvor langt franskmennene hadde falt bak i sin teknologi. Han var spesielt forferdet over At Britene hadde kommet så langt gjennom geni av noen få ingeniører som manglet noen reell vitenskapelig utdanning. Britiske ingeniører hadde også samlet og publisert pålitelige data om effektiviteten til mange typer motorer under faktiske kjøreforhold; de argumenterte for fordelene ved lav – og høytrykksmotorer og av en-sylindrede og flersylindrede motorer.
Carnot forsto implisitt at store sivilisasjoner trenger å utnytte energi for å fremme sin teknologi. Overbevist om At Frankrikes utilstrekkelige utnyttelse av damp var en faktor i dens undergang, begynte han å skrive et ikke-teknisk arbeid om effektiviteten til dampmaskiner. Andre arbeidere før ham hadde undersøkt spørsmålet om å forbedre effektiviteten til dampmotorer ved å sammenligne ekspansjonen og kompresjonen av damp med produksjon av arbeid og forbruk av drivstoff. I sitt essay, Ré Flexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à dé cette puissance (Refleksjoner om Drivkraften Til Brann og Maskinene Som Trengs for Å Utvikle Denne Kraften), publisert i 1824, Carnot ga mye oppmerksomhet til teorien om prosessen ikke om seg selv, som andre hadde gjort, med sine mekaniske detaljer.
Carnot uttalte at i en dampmotor produseres drivkraft når varmen «faller» fra kjelenes høyere temperatur til kondensatorens lavere temperatur, akkurat som vann, når det faller, gir strøm i et vannhjul. Han jobbet innenfor den teoretiske rammen av kaloriteorien om varme, forutsatt at varme var en gass som ikke kunne opprettes eller ødelegges. Selv om Denne antakelsen var feil og Carnot selv hadde tvil om det selv mens han skrev sitt essay, mange av hans resultater var likevel sant. En av disse var hans prediksjon om at effektiviteten til en idealisert motor bare avhenger av temperaturen på de heteste og kaldeste delene og ikke på stoffet (damp eller annen væske) som driver mekanismen.
Carnot forsto at hvert termodynamisk system eksisterer i en bestemt termodynamisk tilstand. Når et system er tatt gjennom en rekke forskjellige tilstander og endelig tilbake til sin opprinnelige tilstand, sies en termodynamisk syklus å ha skjedd. I prosessen med å gå gjennom denne syklusen, kan systemet utføre arbeid på omgivelsene, og dermed fungere som en varmemotor. Syklusen som han foreslo og brukte i sin analyse er nå kjent som Carnot-syklusen. Et System som gjennomgår En Carnot-syklus kalles En Carnot – varmemotor, selv om en slik» perfekt » motor bare er teoretisk og ikke kan bygges i praksis.
De matematiske detaljene I Carnot-syklusen er vist I Tillegg A, men det er ikke nødvendig å forstå disse detaljene fullt ut for å sette pris på bruken. Carnot-syklusen når den fungerer som en varmemotor, består av følgende fire trinn:
Reversibel og isotermisk utvidelse av arbeidsfluidet ved» varm » temperatur, TH (isotermisk varmetilsetning). Under dette trinnet brennes brennstoffet og skaper den varme temperaturen og forårsaker at arbeidsfluidet eller gassen utvides. Den ekspanderende gassen gjør at motorens stempel virker på omgivelsene. Når stempelet er tvunget til å bevege seg, driver det en aksel som omdanner arbeidet til kinetisk energi. Gassekspansjonen drives av absorpsjon av varme fra høytemperaturreservoaret som er opprettet av brennstoffet.
en reversibel og adiabatisk (isentropisk) utvidelse av arbeidsfluidet (isentropisk arbeidsutgang). Husk at adiabatisk betyr at det ikke overføres varme. Isentropisk betyr at entropien av systemet forblir konstant. For dette trinnet antas stempelet og sylinderen å være termisk isolert (adiabatisk), slik at de verken får eller mister varme. Gassen fortsetter å ekspandere, arbeider med omgivelsene. Når gass utvides, avkjøles det også, og mister energi. Siden prosessen er isolert, kan den imidlertid ikke miste den energien som varme. Dette tvinger gassen til å fortsette å gjøre arbeid ved å kjøre stempelet. Denne utvidelsen av gassen får den til å avkjøles til» kald » temperatur, TC.
Reversibel isotermisk komprimering av gassen ved «kald» temperatur, TC(isotermisk varmeavvisning). I dette trinnet fungerer omgivelsene på gassen, noe som fører til at en mengde varme strømmer ut av gassen til lavtemperaturreservoaret.
Isentropisk komprimering av gassen(isentropisk arbeidsinngang). Igjen antas stempelet og sylinderen å være termisk isolert (eller adiabatisk). Under dette trinnet jobber omgivelsene gjennom stempelet på gassen, komprimerer den og forårsaker at temperaturen stiger TIL TH. På dette punktet er gassen i samme tilstand som ved starten av trinn ett.
antitese av en varmemotor er et kjøleskap. En varmemotor brenner drivstoff som en del av en termodynamisk syklus for å skape varme som omdannes til mekanisk energi. Et kjøleskap sender syklusen i motsatt retning og bruker elektrisk energi til å skape mekanisk energi som deretter pumper varme fra den kalde kroppen til den varmere kroppen.
varmemotorens virkningsgrad, η, er definert som arbeidet som produseres dividert med varmetilførselen fra det varme reservoaret. I Vedlegg A beregnes virkningsgraden som følger:
Hvor
W er arbeidet som utføres av systemet (energi som går ut av systemet som arbeid).
QH er varmen som settes inn i systemet (varmeenergi kommer inn i systemet).
TC er den absolutte temperaturen til det kalde reservoaret.
th er den absolutte temperaturen til det varme reservoaret.
denne effektiviteten beskriver brøkdelen av varmeenergien som ekstraheres fra det varme reservoaret og omdannes til mekanisk arbeid. En Rankine-syklus er vanligvis den praktiske tilnærmingen Til En Carnot-syklus for en dampmaskin. Det er vist, I Vedlegg A, at for enhver syklus som opererer mellom temperaturer TH og TC, kan ingen overstige effektiviteten Av En Carnot syklus.
Carnots teorem er en formell uttalelse av Dette faktum: Ingen motor som opererer mellom to varmereservoarer kan være mer effektiv enn En Carnot-motor som opererer mellom de samme reservoarene. Ligning 3.1 gir maksimal effektivitet mulig for enhver motor som bruker de tilsvarende temperaturene. En konsekvens Av Carnots teorem sier at: Alle reversible motorer som opererer mellom de samme varmereservoarene, er like effektive. Høyre Side av Ligning 3.1 gir det som kan være en lettere forstått form av ligningen: den teoretiske maksimale effektiviteten til en varmemotor er lik forskjellen i temperatur mellom det varme og kalde reservoaret dividert med den absolutte temperaturen til det varme reservoaret. For å finne den absolutte temperaturen I Grader Kelvin, legg til 273.15° Til Celsius temperaturen. For å finne den absolutte temperaturen I grader Rankine, legg til 459.6° Til fahrenheit temperaturen. Ser på formelen i Ligning 3.1, et interessant faktum blir tydelig. Senking av temperaturen på det kalde reservoaret vil ha større effekt på takeffektiviteten til en varmemotor enn å øke temperaturen på det varme reservoaret med samme mengde. I den virkelige verden kan dette være vanskelig å oppnå siden det kalde reservoaret ofte er en eksisterende omgivelsestemperatur, for eksempel atmosfæren.
med andre ord oppnås maksimal effektivitet hvis ingen ny entropi opprettes i syklusen. I praksis fører den nødvendige dumping av varme i miljøet for å avhende overflødig entropi til en reduksjon i effektiviteten. Ligning 3.1 gir effektiviteten til en teoretisk reversibel varmemotor.
Carnot innså at det i virkeligheten ikke er mulig å bygge en termodynamisk reversibel motor. Ekte varmemotorer er mindre effektive enn angitt med Ligning 3.1. Likevel Er Ligning 3.1 ekstremt nyttig for å bestemme maksimal effektivitet som noen gang kan forventes for et gitt sett med termiske reservoarer.
det er fire praktiske varmemotorsykluser i bred bruk i dag, hver prøver å tilnærme Carnot termodynamisk syklus. De er
Otto-syklusen, som er grunnlaget for bensinmotoren.
Dieselsyklusen, kommersialisert I Dieselmotoren.
Rankine-syklusen, grunnlaget for dampmaskiner som er mye brukt i kraftverk for å generere elektrisitet.
Brayton-syklusen brukes i gassturbiner som brukes til å generere elektrisitet eller gi trykk.
Det Er Også Stirling-syklusen som kan brukes til å lage en praktisk ekstern forbrenningsmotor, men denne motoren har aldri blitt kommersialisert. Til tross for dette er det stor interesse for Å utvikle Stirling-motorer fordi et stort utvalg av drivstoff kan brukes til å drive slike motorer, inkludert solenergi. Stirling-motoren er et alternativ Til Rankine cycle-motoren.
entropi uttalelse av den andre loven tillater også forskere å analysere kjemiske reaksjoner, fase oppførsel av væsker, og mange andre tilsynelatende usammenhengende prosesser. Det forklarer også hvorfor folk sier at de bruker energi når de faktisk konverterer energi fra en form til en annen. Når brensel brennes for å generere energi, blir kjemisk energi omdannet til varme, og så blir noe av den varmeenergien omdannet til elektrisitet. Noen av det blir også avvist til atmosfæren der det ikke lenger er brukbart. Denne elektrisiteten skaper lys i en lyspære, som også går tapt som varme til atmosfæren.
hvis drivstoffet brukes til å drive en forbrenningsmotor til å kjøre bil etter at noe av varmen er avvist til atmosfæren, skaper resten av drivstoffets energi nyttig og brukbar kinetisk energi. All den kinetiske energien går til slutt tapt som friksjonsvarme, som også går tapt for atmosfæren. All energi vi «bruker» blir tapt som varme som for det meste er overført til atmosfæren, hvorav noen deretter utstråles gjennom rom til andre deler av universet.
En annen konsekvens av termodynamikkens første og andre lover er at evigvarende bevegelsesmaskiner ikke er mulige. Den første loven sier bare at hvis du setter en maskin i bevegelse ved å forsyne den med energi, kan den fortsette å løpe for alltid i et friksjonsløst miljø. Du kan ikke trekke ut mer energi tilbake ut av det enn du legger inn fordi det ville bryte den første loven. Den andre loven sier at du ikke engang kan få så mye ut som du legger inn fordi noe av energien går tapt som varme via friksjon. Perpetual motion maskiner faller inn i to kategorier: de som bryter den første loven om termodynamikk og de som bryter den andre loven om termodynamikk.
entropi-parameteren er også et mål på universets tilfeldighet, og den andre loven sier at universets tilfeldighet øker. Med andre ord, som prosesser utfolder seg, har elementene i universet en tendens til en mer uordnet tilstand.
svaret på spørsmålet «hva mener vi når vi sier at vi bruker energi?»er at den tilgjengelige energien blir brukt og deretter omgjort til utilgjengelig energi. Elektrisk energi, potensiell energi, kinetisk energi og kjemisk energi i drivstoff er alle tilgjengelige former for energi. Energi tapt til atmosfæren som varme blir for det meste utilgjengelig energi. Det er vanskelig å trekke ut energi fra atmosfæren fordi temperaturen ikke er høy nok. Den kumulative effekten av energi som går tapt til atmosfæren eller havet er at det også kontinuerlig utstråles til resten av universet der det blir helt utilgjengelig. Termodynamikkens andre lov styrer denne prosessen.
termodynamikkens lover har mange flere anvendelser enn det som er vist her, men det er utenfor omfanget av denne boken. Her er det bare nødvendig å ha en liten forståelse av termodynamikkloven slik at energiprosessene kan forstås litt bedre.