a doua lege a termodinamicii
a doua lege a termodinamicii pune o limită asupra eficienței proceselor de conversie a energiei. Chiar dacă energia transferată ca căldură este într-adevăr transfer de energie, există ceva diferit în ceea ce privește energia termică. Modul în care oamenii de știință definesc căldura este oarecum diferit de modul în care majoritatea oamenilor înțeleg căldura. Dacă două corpuri de temperaturi diferite sunt plasate în contact unul cu celălalt, va exista un transfer de energie de la corpul fierbinte la corpul rece și acel transfer va continua până când cele două corpuri vor avea aceeași temperatură. Acest transfer de energie se numește căldură. Temperatura fiecărui corp se datorează „energiei sale interne”.”Această energie este stocată ca energie cinetică a moleculelor Vibratoare și în mișcare și este o funcție a temperaturii și presiunii materialului. Cu cât materialul este mai fierbinte, cu atât moleculele se mișcă mai repede. Când energia este transferată sub formă de căldură, corpul mai fierbinte își pierde o parte din energia sa internă, iar corpul mai rece câștigă o parte din energia internă. Prin urmare, este incorect să spunem că un corp fierbinte conține căldură; conține energie internă și poate transfera o parte din acea energie către un corp mai rece ca căldură. Corpul mai rece transformă apoi acea energie în energie internă. Transferul acelei energii interne este ceea ce se numește căldură. Cititorul se poate întoarce acum la secțiunea anterioară despre prima lege a termodinamicii și poate vedea toate erorile mele deliberate scrise despre cuvântul căldură. De exemplu, am spus că în soare „atomii de hidrogen sunt fuzionați împreună sub căldură și presiune intensă pentru a forma atomi de heliu.”Acest lucru nu este corect; ar fi trebuit să spun că” atomii de hidrogen sunt fuzionați împreună la temperaturi și presiuni foarte ridicate pentru a forma atomi de heliu.”
există trei metode diferite de transfer de căldură: conducție, convecție și radiații.
cât de multă căldură poate fi transferată între două corpuri depinde de temperaturile lor și de metoda de transfer de căldură. Energia termică nu poate fi transformată în întregime în energie de lucru sau mecanică, electricitate sau orice altă formă de energie. Acest lucru are un impact mare asupra eficienței motoarelor termice. Când combustibilul este ars într-un motor termic, energia chimică care este stocată în legăturile chimice ale moleculelor de combustibil este eliberată. Această energie este transferată motorului sub formă de căldură; cu toate acestea, nu toată căldura poate fi transformată în energie mecanică. Când oamenii dezvoltau și încercau să perfecționeze motoarele termice, cum ar fi motorul cu ardere internă, au descoperit această limitare și au trebuit să o înțeleagă. Rezultatul a fost formularea celei de-a doua legi a termodinamicii.
lucrarea seminală în acest domeniu s-a datorat unui inginer francez numit Sadi Carnot. În 1824, a publicat o lucrare intitulată, reflecții asupra puterii motrice a focului și a mașinilor necesare dezvoltării acestei puteri. Această lucrare a prezentat ideea că cantitatea de muncă efectuată de un motor termic se datorează fluxului de căldură de la un corp fierbinte la unul rece. Înțelegerea lui Carnot despre căldură era încă împotmolită în teoria calorică incorectă a căldurii, dar concluziile sale erau încă valabile. Analiza sa a stabilit că căldura teoretică care ar putea fi transferată la motorul termic a fost proporțională cu diferența de temperatură dintre sursa de căldură (corpul fierbinte) și radiatorul (corpul rece). Această analiză i-a permis să calculeze eficiența teoretică a unui motor termic, care s-a dovedit a fi mult mai mică decât eficiența altor procese de conversie a energiei.
folosind analiza lui Carnot, mai mulți oameni au putut deduce diferite afirmații ale celei de-a doua legi a termodinamicii. Unele dintre acestea sunt:
este imposibil să se producă lucrări în împrejurimi folosind un proces ciclic conectat la un singur rezervor de căldură (Thomson, 1851).
este imposibil să se efectueze un proces ciclic folosind un motor conectat la două rezervoare de căldură care va avea ca singur efect transferul unei cantități de căldură din rezervorul de temperatură joasă în rezervorul de temperatură înaltă (Clausius, 1854).
în orice proces, entropia universului crește, determinându-l să tindă spre un maxim (Clausius, 1865).
această a treia afirmație introduce conceptul de entropie și pune legea pe o bază mai matematică. Deoarece cantitatea de căldură transferată în orice proces depinde de temperatura corpului care transferă căldura, entropia este definită ca căldura transferată împărțită la temperatura, T, la care este transferată. Dând entropiei simbolul S și căldura transferată simbolului Q, prin definiție:
este necesară o anumită înțelegere a entropiei pentru a înțelege pe deplin limitările consumului de energie. Acest lucru este ilustrat în Anexa A și discutat în secțiunea următoare.
una dintre consecințele celei de-a doua legi a termodinamicii este că, atunci când ardeți combustibil pentru a conduce un motor termic, doar o parte din căldura din combustibil poate fi transformată pentru a funcționa în motor. Restul trebuie respins la un radiator, care este de obicei atmosfera din jurul motorului. În consecință, motoarele termice sunt inerent ineficiente. O altă consecință este că încălzirea casei dvs. cu un element de încălzire electrică va fi mult mai scumpă decât utilizarea majorității altor combustibili. Acest lucru se datorează faptului că electricitatea a fost creată folosind un motor termic ineficient, unde o parte din căldură a trebuit să fie respinsă în împrejurimi. Dacă obiectivul dvs. este de a crește temperatura unui spațiu (cum ar fi casa dvs.), este mai bine să ardeți direct un combustibil și să capturați cât mai mult din acea căldură în casa dvs. Eficiența încălzirii directe prin arderea unui combustibil este mult mai mare decât crearea de energie electrică în cazul în care o parte din căldură trebuie pierdută. Toate acestea au fost analizate de Sadi Carnot folosind ciclul său Carnot și publicate în 1824.
Sadi Carnot a fost fiul cel mare al unui revoluționar francez pe nume Lazare Carnot și s-a născut la 1 iunie 1796, în timpul apogeului Revoluției Franceze. Sadi a studiat la Politehnica din secolul al XIX-lea începând din 1812. Când Sadi a absolvit în 1814, imperiul lui Napoleon era pe fugă și armatele europene invadau Franța. În timpul revenirii lui Napoleon la putere în 1815, tatăl lui Sadi, Lazare Carnot, a fost ministru de Interne pentru câteva luni. După înfrângerea finală a lui Napoleon mai târziu în acel an, Lazare a fugit în Germania, pentru a nu se mai întoarce niciodată în Franța.
Sadi Carnot a fost ofițer de armată pentru cea mai mare parte a vieții sale, dar în 1819 s-a retras din armată și a început să-și dedice atenția proiectării motoarelor cu aburi. Aceste motoare au fost principalele cai de lucru din Europa, în special Marea Britanie, și au fost folosite pentru pomparea apei din mine, dragarea porturilor și râurilor, măcinarea grâului și filarea și țeserea pânzei; cu toate acestea, au fost oarecum ineficiente. Importul celor mai avansate motoare cu aburi britanice în Franța după război a arătat lui Carnot cât de mult au rămas francezii în urmă în tehnologia lor. El a fost deosebit de consternat că britanicii au progresat până acum prin geniul câtorva ingineri cărora le lipsea orice educație științifică reală. Inginerii britanici au acumulat și publicat, de asemenea, date fiabile despre eficiența multor tipuri de motoare în condiții reale de funcționare; au argumentat despre meritele motoarelor de joasă și înaltă presiune și ale motoarelor cu un singur cilindru și cu mai multe cilindri.
Carnot a înțeles implicit că marile civilizații trebuie să valorifice energia pentru a-și avansa tehnologia. Convins că utilizarea inadecvată a aburului de către Franța a fost un factor în căderea sa, a început să scrie o lucrare non-tehnică privind eficiența motoarelor cu aburi. Alți lucrători înaintea lui au examinat problema îmbunătățirii eficienței motoarelor cu aburi prin compararea expansiunii și comprimării aburului cu producția de muncă și consumul de combustibil. În eseul său, R Inktxflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres int d inktvelopper cette puissance (reflecții asupra puterii motrice a focului și a mașinilor necesare dezvoltării acestei puteri), publicat în 1824, Carnot a acordat multă atenție teoriei procesului care nu se privea pe sine, așa cum făcuseră alții, cu detaliile sale mecanice.
Carnot a declarat că, într-un motor cu aburi, puterea motrice este produsă atunci când căldura „scade” de la temperatura mai ridicată a cazanului la temperatura mai scăzută a condensatorului, la fel cum apa, atunci când cade, furnizează energie într-o roată de apă. El a lucrat în cadrul teoretic al teoriei calorice a căldurii, presupunând că căldura era un gaz care nu putea fi nici creat, nici distrus. Deși această presupunere era incorectă și Carnot însuși avea îndoieli cu privire la aceasta chiar în timp ce își scria eseul, multe dintre rezultatele sale erau totuși adevărate. Una dintre acestea a fost prezicerea sa că eficiența unui motor idealizat depinde doar de temperatura părților sale cele mai fierbinți și mai reci și nu de substanța (abur sau orice alt fluid) care conduce mecanismul.
Carnot a înțeles că fiecare sistem termodinamic există într-o anumită stare termodinamică. Când un sistem este trecut printr-o serie de stări diferite și în cele din urmă revenit la starea sa inițială, se spune că a avut loc un ciclu termodinamic. În procesul de parcurgere a acestui ciclu, sistemul poate efectua lucrări în împrejurimile sale, acționând astfel ca un motor termic. Ciclul pe care l-a propus și l-a folosit în analiza sa este acum cunoscut sub numele de ciclul Carnot. Un sistem care trece printr-un ciclu Carnot se numește motor termic Carnot, deși un astfel de motor „perfect” este doar teoretic și nu poate fi construit în practică.
detaliile matematice ale ciclului Carnot sunt prezentate în Anexa A, dar nu este necesar să înțelegem pe deplin aceste detalii pentru a-i aprecia utilitatea. Ciclul Carnot atunci când acționează ca un motor termic, constă în următoarele patru etape:
expansiune reversibilă și Izotermă a fluidului de lucru la temperatura „fierbinte”, TH (adăugarea de căldură Izotermă). În timpul acestei etape, combustibilul este ars creând temperatura fierbinte și determinând extinderea fluidului de lucru sau a gazului. Gazul în expansiune face ca pistonul motorului să funcționeze în împrejurimi. Pe măsură ce pistonul este forțat să se miște, acesta acționează un arbore care transformă lucrarea în energie cinetică. Expansiunea gazului este propulsată de absorbția căldurii din rezervorul de temperatură înaltă creat de combustibilul ars.
o expansiune reversibilă și adiabatică (izentropică) a fluidului de lucru (ieșire de lucru izentropică). Amintiți-vă că adiabatic înseamnă că nu există căldură transferată. Isentropic înseamnă că entropia sistemului rămâne constantă. Pentru această etapă, se presupune că pistonul și cilindrul sunt izolate termic (adiabatic), astfel încât nici nu câștigă, nici nu pierd căldură. Gazul continuă să se extindă, lucrând la împrejurimi. Când gazul se extinde, se răcește, pierzând energie. Deoarece procesul este izolat, totuși, nu poate pierde acea energie ca căldură. Acest lucru forțează gazul să continue să lucreze prin acționarea pistonului. Această expansiune a gazului îl face să se răcească la temperatura” rece”, TC.
compresia izotermică reversibilă a gazului la temperatura „rece”, TC (respingerea căldurii izoterme). În această etapă, împrejurimile funcționează pe gaz, ceea ce face ca o cantitate de căldură să curgă din gaz către rezervorul de temperatură scăzută.
compresie Izentropică a gazului (intrare de lucru izentropică). Încă o dată, se presupune că pistonul și cilindrul sunt izolate termic (sau adiabatice). În timpul acestei etape, împrejurimile, prin piston, lucrează la gaz, comprimându-l și determinând creșterea temperaturii la TH. În acest moment, gazul este în aceeași stare ca la începutul primului pas.
antiteza unui motor termic este un frigider. Un motor termic arde combustibil ca parte a unui ciclu termodinamic pentru a crea căldură care este transformată în energie mecanică. Un frigider trimite ciclul în direcția opusă și folosește energie electrică pentru a crea energie mecanică care apoi pompează căldura de la corpul rece la corpul mai fierbinte.
eficiența motorului termic, inqc, este definită ca lucrarea produsă împărțită la aportul de căldură din rezervorul fierbinte. În apendicele A, Eficiența se calculează după cum urmează:
unde,
W este activitatea efectuată de sistem (energia care iese din sistem ca activitate).
QH este căldura introdusă în sistem (energia termică care intră în sistem).
TC este temperatura absolută a rezervorului rece.
TH este temperatura absolută a rezervorului fierbinte.
această eficiență descrie fracțiunea de energie termică extrasă din rezervorul fierbinte și transformată în lucru mecanic. Un ciclu Rankine este de obicei aproximarea practică a unui ciclu Carnot pentru un motor cu aburi. Se arată, în apendicele A, că pentru orice ciclu care funcționează între temperaturile TH și TC, niciunul nu poate depăși eficiența unui ciclu Carnot.
teorema lui Carnot este o afirmație formală a acestui fapt: niciun motor care funcționează între două rezervoare de căldură nu poate fi mai eficient decât un motor Carnot care funcționează între aceleași rezervoare. Ecuația 3.1 oferă eficiența maximă posibilă pentru orice motor care utilizează temperaturile corespunzătoare. Un corolar al teoremei lui Carnot afirmă că: Toate motoarele reversibile care funcționează între aceleași rezervoare de căldură sunt la fel de eficiente. Partea dreaptă a ecuației 3.1 oferă ceea ce poate fi o formă mai ușor de înțeles a ecuației: eficiența maximă teoretică a unui motor termic este egală cu diferența de temperatură dintre rezervorul cald și rece împărțit la temperatura absolută a rezervorului fierbinte. Pentru a găsi temperatura absolută în grade Kelvin, adăugați 273,15 centimi la temperatura Celsius. Pentru a găsi temperatura absolută în grade Rankine, adăugați 459,6 inqu la temperatura Fahrenheit. Privind la formula din ecuația 3.1, un fapt interesant devine evident. Scăderea temperaturii rezervorului rece va avea un efect mai mare asupra eficienței tavanului unui motor termic decât creșterea temperaturii rezervorului fierbinte cu aceeași cantitate. În lumea reală, acest lucru poate fi dificil de realizat, deoarece rezervorul rece este adesea o temperatură ambiantă existentă, cum ar fi atmosfera.
cu alte cuvinte, eficiența maximă este atinsă dacă nu se creează nicio entropie nouă în ciclu. În practică, deversarea necesară a căldurii în mediu pentru a elimina excesul de entropie duce la o reducere a eficienței. Ecuația 3.1 oferă eficiența oricărui motor termic teoretic reversibil.
Carnot și-a dat seama că, în realitate, nu este posibil să se construiască un motor termodinamic reversibil. Motoarele termice reale sunt mai puțin eficiente decât cele indicate de ecuația 3.1. Cu toate acestea, ecuația 3.1 este extrem de utilă pentru determinarea eficienței maxime care ar putea fi așteptată vreodată pentru un set dat de rezervoare termice.
există patru cicluri practice ale motorului termic utilizate pe scară largă astăzi, fiecare încercând să aproximeze ciclul termodinamic Carnot. Acestea sunt
ciclul Otto, care este baza motorului pe benzină.
ciclul Diesel, comercializat în motorul Diesel.
ciclul Rankine, baza motoarelor cu aburi utilizate pe scară largă astăzi în centralele electrice pentru a genera electricitate.
ciclul Brayton utilizate în turbine cu gaz, care sunt utilizate pentru a genera energie electrică sau pentru a oferi împingere.
există, de asemenea, ciclul Stirling care poate fi folosit pentru a face un motor termic practic cu combustie externă, dar acest motor nu a fost niciodată comercializat. În ciuda acestui fapt, există mult interes în dezvoltarea motoarelor Stirling, deoarece o mare varietate de combustibili pot fi utilizați pentru a conduce astfel de motoare, inclusiv energia solară. Motorul Stirling este o alternativă la motorul cu ciclu Rankine.
Declarația de entropie a celei de-a doua legi permite, de asemenea, oamenilor de știință să analizeze reacțiile chimice, comportamentul de fază al fluidelor și multe alte procese aparent neconectate. De asemenea, explică de ce oamenii spun că folosesc energie atunci când transformă de fapt energia dintr-o formă în alta. Când combustibilul este ars pentru a genera energie, energia chimică este transformată în căldură și apoi o parte din acea energie termică este transformată în electricitate. O parte din ea este, de asemenea, respinsă în atmosferă unde nu mai este utilizabilă. Această electricitate creează lumină într-un bec, care se pierde și ca căldură în atmosferă.
dacă combustibilul este utilizat pentru a alimenta un motor cu combustie internă pentru a conduce un automobil după ce o parte din căldură este respinsă în atmosferă, restul energiei combustibilului creează energie cinetică utilă și utilizabilă. Toată acea energie cinetică se pierde în cele din urmă ca căldură de frecare, care se pierde și în atmosferă. Toată energia pe care o” folosim ” se pierde ca căldură care a fost transferată în cea mai mare parte în atmosferă, dintre care unele sunt apoi radiate prin spațiu către alte părți ale universului.
o altă consecință a primei și celei de-a doua legi a termodinamicii este că mașinile de mișcare perpetuă nu sunt posibile. Prima lege afirmă pur și simplu că, dacă puneți o mașină în mișcare, alimentând-o cu energie, ar putea continua să funcționeze pentru totdeauna într-un mediu fără frecare. Nu ai putea extrage mai multă energie din ea decât ai pus pentru că asta ar încălca prima lege. Cea de-a doua lege spune că nu puteți obține atât de mult cât puneți, deoarece o parte din energie se pierde sub formă de căldură prin frecare. Mașinile de mișcare perpetuă se împart în două categorii: cele care încalcă prima lege a termodinamicii și cele care încalcă a doua lege a termodinamicii.
parametrul entropiei este, de asemenea, o măsură a aleatoriei universului, iar a doua lege afirmă că aleatoria universului crește. Cu alte cuvinte, pe măsură ce procesele se desfășoară, elementele universului tind spre o stare mai dezordonată.
răspunsul la întrebarea „la ce ne referim când spunem că folosim energie?”este că energia disponibilă este utilizată și apoi transformată în energie indisponibilă. Energia electrică, energia potențială, energia cinetică și energia chimică din combustibili sunt toate forme de energie disponibile. Energia pierdută în atmosferă pe măsură ce căldura devine cea mai mare parte energie indisponibilă. Este greu să extragi energie din atmosferă, deoarece temperatura nu este suficient de ridicată. Efectul cumulativ al energiei pierdute în atmosferă sau ocean este că este, de asemenea, radiat continuu către restul universului, unde devine complet indisponibil. A doua lege a termodinamicii guvernează acest proces.
Legile Termodinamicii au mult mai multe aplicații decât s-au arătat aici, dar acest lucru este dincolo de sfera acestei cărți. Aici este pur și simplu necesar să avem o mică înțelegere a legilor termodinamicii, astfel încât procesele energetice să poată fi înțelese puțin mai bine.