drugie prawo termodynamiki
drugie prawo termodynamiki określa, jak efektywne mogą być procesy konwersji energii. Nawet jeśli energia przekazywana jako ciepło jest rzeczywiście transferem energii, jest coś innego w energii cieplnej. Sposób, w jaki naukowcy definiują ciepło, jest nieco inny niż sposób, w jaki większość ludzi rozumie ciepło. Jeśli dwa ciała o różnych temperaturach zostaną umieszczone w kontakcie ze sobą, nastąpi transfer energii z gorącego ciała do zimnego ciała i transfer ten będzie kontynuowany, aż oba ciała będą miały tę samą temperaturę. Ten transfer energii nazywa się ciepłem. Temperatura każdego ciała wynika z jego ” wewnętrznej energii.”Energia ta jest przechowywana jako energia kinetyczna wibrujących i poruszających się cząsteczek i jest funkcją temperatury i ciśnienia materiału. Im gorętszy Materiał, tym szybciej poruszają się cząsteczki. Kiedy energia jest przekazywana jako ciepło, gorętsze ciało traci część swojej wewnętrznej energii, a zimniejsze ciało zyskuje część wewnętrznej energii. Dlatego błędem jest stwierdzenie, że gorące ciało zawiera ciepło; zawiera energię wewnętrzną i może przenieść część tej energii do chłodniejszego ciała jako ciepło. Zimniejsze ciało następnie przekształca tę energię w energię wewnętrzną. Transfer tej wewnętrznej energii jest tym, co nazywa się ciepłem. Czytelnik może teraz wrócić do poprzedniego rozdziału na temat pierwszego prawa termodynamiki i zobaczyć wszystkie moje celowe błędy napisane o słowie ciepło. Na przykład, powiedziałem, że w słońcu „atomy wodoru łączą się ze sobą pod intensywnym ciepłem i ciśnieniem, tworząc atomy helu.”To nie jest poprawne; powinienem był powiedzieć, że” atomy wodoru łączą się ze sobą w bardzo wysokich temperaturach i ciśnieniach, tworząc atomy helu.”
istnieją trzy różne metody wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.
ile ciepła może być przenoszone między dwoma ciałami zależy od ich temperatury i metody wymiany ciepła. Energia cieplna nie może być całkowicie przekształcona w energię roboczą lub mechaniczną, energię elektryczną lub jakąkolwiek inną formę energii. Ma to duży wpływ na sprawność silników cieplnych. Gdy paliwo jest spalane w silniku cieplnym, uwalniana jest energia chemiczna, która jest przechowywana w wiązaniach chemicznych cząsteczek paliwa. Energia ta jest przekazywana do silnika w postaci ciepła; jednak nie całe to ciepło można przekształcić w energię mechaniczną. Kiedy ludzie opracowywali i próbowali doskonalić silniki cieplne, takie jak silnik spalinowy, odkryli to ograniczenie i musieli je zrozumieć. Rezultatem było sformułowanie drugiego prawa termodynamiki.
przełomowe prace w tej dziedzinie miał francuski inżynier Sadi Carnot. W 1824 roku opublikował pracę pt. „Reflections on The Motive Power of Fire and the Machines need to Develop this Power”. W artykule przedstawiono ideę, że ilość pracy wykonanej przez silnik cieplny wynika z przepływu ciepła z gorącego do zimnego ciała. Rozumienie ciepła przez Carnota było nadal pogrążone w błędnej kalorycznej teorii ciepła, ale jego wnioski były nadal aktualne. Jego analiza wykazała, że teoretyczne ciepło, które może być przekazane do silnika cieplnego, jest proporcjonalne do różnicy temperatur między źródłem ciepła (ciało gorące) a radiatorem (ciało zimne). Analiza ta pozwoliła mu obliczyć teoretyczną sprawność silnika cieplnego, która okazała się znacznie niższa niż sprawność innych procesów konwersji energii.
korzystając z analizy Carnota, kilka osób było w stanie wydedukować różne stwierdzenia drugiego prawa termodynamiki. Niektóre z nich to:
niemożliwe jest wykonywanie prac w otoczeniu za pomocą cyklicznego procesu połączonego z pojedynczym zbiornikiem ciepła (Thomson, 1851).
niemożliwe jest przeprowadzenie cyklicznego procesu za pomocą silnika podłączonego do dwóch zbiorników ciepła, który będzie miał jako jedyny efekt przeniesienie ilości ciepła ze zbiornika niskotemperaturowego do zbiornika wysokotemperaturowego (Clausius, 1854).
w każdym procesie Entropia wszechświata wzrasta, powodując jego tendencję do maksimum (Clausius, 1865).
to trzecie stwierdzenie wprowadza pojęcie entropii i stawia prawo na bardziej matematycznej podstawie. Ponieważ ilość ciepła przenoszonego w dowolnym procesie zależy od temperatury ciała przenoszącego ciepło, Entropia jest zdefiniowana jako ciepło przenoszone podzielone przez temperaturę, T, w której jest przenoszone. Podając entropię symbol S, a ciepło przenoszone symbol Q, z definicji:
aby w pełni zrozumieć ograniczenia zużycia energii, wymagane jest pewne zrozumienie entropii. Jest to zilustrowane w Załączniku A i omówione w następnej sekcji.
jedną z konsekwencji drugiej zasady termodynamiki jest to, że gdy pali się paliwo do napędu silnika cieplnego, tylko część ciepła z paliwa może zostać przekształcona do pracy w silniku. Resztę należy odrzucić do radiatora, którym jest zazwyczaj atmosfera otaczająca silnik. W związku z tym silniki cieplne są z natury nieefektywne. Inną konsekwencją jest to, że ogrzewanie domu za pomocą elektrycznego elementu grzejnego będzie znacznie droższe niż przy użyciu większości innych paliw. Wynika to z faktu, że energia elektryczna została wytworzona przy użyciu nieefektywnego silnika cieplnego, w którym część ciepła musiała zostać odrzucona do otoczenia. Jeśli twoim celem jest zwiększenie temperatury pewnej przestrzeni (np. w domu), lepiej jest bezpośrednio spalić paliwo i wychwycić jak najwięcej tego ciepła w domu. Wydajność bezpośredniego ogrzewania poprzez spalanie paliwa jest znacznie wyższa niż wytwarzanie energii elektrycznej, gdzie część ciepła musi zostać utracona. Wszystko to zostało przeanalizowane przez Sadiego Carnota za pomocą jego cyklu Carnota i opublikowane w 1824 roku.
Sadi Carnot był najstarszym synem francuskiego rewolucjonisty o imieniu Lazare Carnot i urodził się 1 czerwca 1796 roku, podczas szczytu rewolucji francuskiej. Sadi studiował w École Polytechnique od 1812 roku. Zanim Sadi ukończył studia w 1814 roku, Imperium Napoleona było w biegu, a europejskie armie atakowały Francję. Podczas powrotu Napoleona do władzy w 1815 roku ojciec Sadiego, Lazare Carnot, był przez kilka miesięcy ministrem spraw wewnętrznych. Po ostatecznej klęsce Napoleona w tym samym roku Lazare uciekł do Niemiec, by nigdy nie wrócić do Francji.
Sadi Carnot był oficerem armii przez większość swojego życia, ale w 1819 roku częściowo odszedł z wojska i zaczął poświęcać swoją uwagę projektowaniu silników parowych. Silniki te były głównymi końmi roboczymi Europy, zwłaszcza Wielkiej Brytanii, i były używane do pompowania wody z kopalń, pogłębiania portów i rzek, mielenia pszenicy oraz przędzenia i tkania tkanin; jednak były one nieco nieefektywne. Import bardziej zaawansowanych brytyjskich silników parowych do Francji po wojnie pokazał Carnotowi, jak daleko Francuzi pozostawali w tyle w swojej technologii. Był szczególnie przerażony tym, że Brytyjczycy posunęli się do przodu dzięki geniuszowi kilku inżynierów, którym brakowało prawdziwego wykształcenia naukowego. Brytyjscy inżynierowie zgromadzili i opublikowali wiarygodne dane na temat sprawności wielu typów silników w rzeczywistych warunkach pracy; dyskutowali o zaletach silników niskociśnieniowych i wysokociśnieniowych oraz jednocylindrowych i wielocylindrowych.
Carnot rozumiał pośrednio, że wielkie cywilizacje muszą wykorzystać energię do rozwoju swojej technologii. Przekonany, że niewystarczające wykorzystanie pary przez Francję było czynnikiem jej upadku, zaczął pisać nietechniczne prace na temat wydajności silników parowych. Inni pracownicy przed nim badali kwestię poprawy wydajności silników parowych poprzez porównanie rozprężania i sprężania pary z produkcją pracy i zużyciem paliwa. W opublikowanym w 1824 r.eseju Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (refleksje nad siłą napędową ognia i maszynami potrzebnymi do rozwoju tej mocy) Carnot poświęcił wiele uwagi teorii procesu nie dotyczącej siebie, jak to czynili inni, z jego mechanicznymi detalami.
Carnot stwierdził, że w silniku parowym moc napędowa jest wytwarzana, gdy ciepło „spada” z wyższej temperatury kotła do niższej temperatury skraplacza, tak jak woda, gdy spada, zapewnia moc w Kole wodnym. Zajmował się teoretycznymi ramami kalorycznej teorii ciepła, zakładając, że ciepło jest gazem, który nie może być ani wytworzony, ani zniszczony. Chociaż założenie to było błędne, a sam Carnot miał wątpliwości co do tego nawet podczas pisania eseju, wiele z jego wyników było jednak prawdziwe. Jedną z nich była jego Prognoza, że sprawność wyidealizowanego silnika zależy tylko od temperatury jego najgorętszych i najzimniejszych części, a nie od substancji (pary lub innego płynu), która napędza mechanizm.
Carnot rozumiał, że każdy układ termodynamiczny istnieje w określonym stanie termodynamicznym. Kiedy układ jest pobierany przez szereg różnych stanów i ostatecznie wraca do stanu początkowego, mówi się, że wystąpił cykl termodynamiczny. W procesie przechodzenia przez ten cykl system może wykonywać pracę na swoim otoczeniu, działając w ten sposób jako silnik cieplny. Cykl, który zaproponował i wykorzystał w swojej analizie, jest obecnie znany jako cykl Carnota. Układ przechodzący cykl Carnota nazywany jest silnikiem Carnota heat engine, chociaż taki” doskonały ” silnik jest tylko teoretyczny i nie może być zbudowany w praktyce.
szczegóły matematyczne cyklu Carnota są pokazane w Dodatku A, ale nie jest konieczne pełne zrozumienie tych szczegółów, aby docenić jego użyteczność. Cykl Carnota, działający jako silnik cieplny, składa się z następujących czterech etapów:
odwracalne i izotermiczne rozszerzanie się płynu roboczego w temperaturze „gorącej”, TH (izotermiczne dodawanie ciepła). Podczas tego etapu paliwo jest spalane, tworząc gorącą temperaturę i powodując rozszerzanie się płynu roboczego lub gazu. Rozprężający się Gaz sprawia, że tłok silnika działa na otoczenie. Gdy tłok jest zmuszony do ruchu, napędza wał, który zamienia pracę na energię kinetyczną. Rozprężanie gazu jest napędzane przez absorpcję ciepła z wysokotemperaturowego zbiornika utworzonego przez płonące paliwo.
odwracalne i adiabatyczne (izentropowe) rozszerzenie płynu roboczego (izentropowe wyjście robocze). Pamiętaj, że adiabatyczne oznacza, że nie jest przenoszone ciepło. Izentropia oznacza, że entropia układu pozostaje stała. Dla tego etapu przyjmuje się, że tłok i cylinder są izolowane termicznie (adiabatyczne), przez co nie zyskują ani nie tracą ciepła. Gaz nadal się rozwija, pracując nad otoczeniem. Gdy Gaz się rozszerza, również ochładza, tracąc energię. Ponieważ jednak Proces jest izolowany, nie może stracić tej energii jako ciepła. Zmusza to gaz do dalszej pracy, napędzając tłok. Ta ekspansja gazu powoduje jego schłodzenie do” zimnej ” temperatury, TC.
odwracalne izotermiczne sprężanie gazu w temperaturze „zimnej”, TC (izotermiczne odrzucanie ciepła). W tym kroku otoczenie pracuje nad gazem, co powoduje, że ilość ciepła wypływa z gazu do zbiornika o niskiej temperaturze.
Izentropowe sprężanie gazu (izentropowy wkład roboczy). Po raz kolejny zakłada się, że tłok i cylinder są izolowane termicznie (lub adiabatyczne). Podczas tego etapu otoczenie, poprzez tłok, pracuje nad gazem, ściskając go i powodując wzrost temperatury do TH. W tym momencie gaz jest w tym samym stanie, co na początku pierwszego etapu.
antytezą silnika cieplnego jest lodówka. Silnik cieplny spala paliwo w ramach cyklu termodynamicznego, aby wytworzyć ciepło, które jest przekształcane w energię mechaniczną. Lodówka wysyła cykl w przeciwnym kierunku i wykorzystuje energię elektryczną do tworzenia energii mechanicznej, która następnie pompuje ciepło z zimnego ciała do gorętszego ciała.
sprawność silnika cieplnego, η, definiuje się jako wytworzoną pracę podzieloną przez wkład ciepła z gorącego zbiornika. W Dodatku A Wydajność oblicza się w następujący sposób:
gdzie
W oznacza pracę wykonaną przez system (energia wychodząca z systemu jako praca).
QH to ciepło wprowadzone do systemu (energia cieplna wprowadzana do systemu).
TC to Temperatura bezwzględna zimnego zbiornika.
th to Temperatura bezwzględna gorącego zbiornika.
sprawność ta opisuje ułamek energii cieplnej pobranej z gorącego zbiornika i przekształconej w pracę mechaniczną. Cykl Rankine ’ a jest zwykle praktycznym przybliżeniem cyklu Carnota dla silnika parowego. W Dodatku A wykazano, że dla każdego cyklu pracującego między temperaturami TH I TC żaden nie może przekroczyć sprawności cyklu Carnota.
twierdzenie Carnota jest formalnym stwierdzeniem tego faktu: żaden silnik pracujący między dwoma zbiornikami ciepła nie może być bardziej wydajny niż silnik Carnota pracujący między tymi samymi zbiornikami. Równanie 3.1 daje maksymalną możliwą sprawność dla każdego silnika wykorzystującego odpowiednie temperatury. Następstwem twierdzenia Carnota jest stwierdzenie, że: Wszystkie silniki odwracalne pracujące między tymi samymi zbiornikami ciepła są równie wydajne. Po prawej stronie równania 3.1 podano, co może być bardziej zrozumiałą formą równania: teoretyczna maksymalna sprawność silnika cieplnego równa się różnicy temperatur między gorącym i zimnym zbiornikiem podzielonej przez temperaturę bezwzględną gorącego zbiornika. Aby znaleźć temperaturę bezwzględną w stopniach Kelvina, dodaj 273,15° do temperatury Celsjusza. Aby znaleźć temperaturę bezwzględną w stopniach Rankine ’ a, dodaj 459,6° do temperatury Fahrenheita. Patrząc na wzór w równaniu 3.1, interesujący fakt staje się oczywisty. Obniżenie temperatury zimnego zbiornika będzie miało większy wpływ na sprawność sufitową silnika cieplnego niż podniesienie temperatury gorącego zbiornika o taką samą wartość. W prawdziwym świecie może to być trudne do osiągnięcia, ponieważ zimny zbiornik jest często istniejącą temperaturą otoczenia, taką jak atmosfera.
innymi słowy, maksymalna wydajność jest osiągana, jeśli w cyklu nie zostanie utworzona nowa Entropia. W praktyce wymagane odprowadzanie ciepła do środowiska w celu usunięcia nadmiaru entropii prowadzi do zmniejszenia wydajności. Równanie 3.1 daje sprawność dowolnego teoretycznie odwracalnego silnika cieplnego.
Carnot zdał sobie sprawę, że w rzeczywistości nie jest możliwe zbudowanie termodynamicznie odwracalnego silnika. Rzeczywiste silniki cieplne są mniej wydajne niż wynika to z równania 3.1. Niemniej jednak równanie 3.1 jest niezwykle przydatne do określenia maksymalnej wydajności, jakiej można było oczekiwać dla danego zestawu zbiorników termicznych.
obecnie istnieją cztery praktyczne cykle silnika cieplnego, z których każdy próbuje zbliżyć cykl termodynamiczny Carnota. Są
cykl Otto, który jest podstawą silnika benzynowego.
cykl Diesla, skomercjalizowany w silniku Diesla.
cykl Rankine ’ a, podstawa silników parowych powszechnie stosowanych obecnie w elektrowniach do wytwarzania energii elektrycznej.
cykl Braytona stosowany w turbinach gazowych, które są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej lub zapewnienia ciągu.
istnieje również cykl Stirlinga, który można wykorzystać do stworzenia praktycznego silnika spalinowego, ale ten silnik nigdy nie został skomercjalizowany. Pomimo tego istnieje duże zainteresowanie rozwojem silników Stirlinga, ponieważ do napędu takich silników można wykorzystać dużą różnorodność paliw, w tym energię słoneczną. Silnik Stirlinga jest alternatywą dla silnika Rankine cycle.
stwierdzenie entropii drugiego prawa pozwala również naukowcom analizować reakcje chemiczne, zachowanie fazowe płynów i wiele innych pozornie niezwiązanych ze sobą procesów. Wyjaśnia to również, dlaczego ludzie mówią, że używają energii, gdy faktycznie przekształcają energię z jednej formy w inną. Kiedy paliwo jest spalane w celu wytworzenia energii, energia chemiczna jest przekształcana w ciepło, a następnie część tej energii cieplnej jest przekształcana w energię elektryczną. Część z nich jest również odrzucana do atmosfery, gdzie nie jest już użyteczna. Ta elektryczność tworzy światło w żarówce, które jest również tracone jako ciepło do atmosfery.
jeśli paliwo jest używane do napędzania silnika spalinowego do jazdy samochodem po tym, jak część ciepła jest odrzucana do atmosfery, reszta energii paliwa tworzy użyteczną i użyteczną energię kinetyczną. Cała ta energia kinetyczna jest ostatecznie tracona jako ciepło tarcia, które jest również tracone do atmosfery. Cała energia, z której „korzystamy”, zostaje utracona jako ciepło, które zostało w większości przeniesione do atmosfery, z których część jest następnie wypromieniowywana przez przestrzeń do innych części wszechświata.
kolejną konsekwencją pierwszego i drugiego prawa termodynamiki jest to, że maszyny Perpetuum Mobile nie są możliwe. Pierwsze prawo po prostu mówi, że jeśli uruchomisz maszynę, dostarczając jej energii, może ona pracować w nieskończoność w środowisku bez tarcia. Nie mogłeś wydobyć z niego więcej energii, niż włożyłeś, bo to naruszałoby pierwsze prawo. Drugie prawo mówi, że nie można nawet uzyskać tyle, ile włożyć, ponieważ część energii jest tracona jako ciepło przez tarcie. Maszyny perpetuum mobile dzielą się na dwie kategorie: te, które naruszają pierwsze prawo termodynamiki i te, które naruszają drugie prawo termodynamiki.
parametr entropii jest również miarą losowości wszechświata, a drugie prawo mówi, że losowość wszechświata wzrasta. Innymi słowy, w miarę rozwoju procesów, elementy wszechświata mają tendencję do bardziej nieuporządkowanego stanu.
odpowiedź na pytanie ” co mamy na myśli mówiąc, że zużywamy energię?”jest to, że dostępna energia jest zużywana, a następnie przekształcana w energię niedostępną. Energia elektryczna, energia potencjalna, energia kinetyczna i energia chemiczna w paliwach są dostępnymi formami energii. Energia tracona do atmosfery, ponieważ ciepło staje się w większości niedostępną energią. Trudno jest wydobyć energię z atmosfery, ponieważ temperatura nie jest wystarczająco wysoka. Skumulowany efekt energii utraconej w atmosferze lub oceanie polega na tym, że jest ona również stale wypromieniowywana do reszty wszechświata, gdzie staje się całkowicie niedostępna. Drugie prawo termodynamiki reguluje ten proces.
prawa termodynamiki mają o wiele więcej zastosowań niż pokazano tutaj, ale to wykracza poza zakres tej książki. Tutaj po prostu konieczne jest trochę zrozumienia praw termodynamiki, aby procesy energetyczne można było zrozumieć trochę lepiej.