termodynamikens andra lag
termodynamikens andra lag sätter en gräns för hur effektiva energiomvandlingsprocesserna kan vara. Även om energi som överförs som värme verkligen är energiöverföring, finns det något annat med värmeenergi. Hur forskare definierar värme är något annorlunda än hur de flesta förstår värme. Om två kroppar med olika temperaturer placeras i kontakt med varandra kommer det att ske en överföring av energi från den heta kroppen till den kalla kroppen och den överföringen fortsätter tills de två kropparna har samma temperatur. Denna överföring av energi kallas värme. Temperaturen hos varje kropp beror på dess ” inre energi.”Denna energi lagras som den kinetiska energin hos vibrerande och rörliga molekyler och är en funktion av materialets temperatur och tryck. Ju varmare materialet desto snabbare rör sig molekylerna. När energi överförs som värme förlorar den varmare kroppen en del av sin inre energi och den kallare kroppen får viss inre energi. Det är därför fel att säga att en varm kropp innehåller värme; den innehåller inre energi och den kan överföra en del av den energin till en kallare kropp som värme. Den kallare kroppen omvandlar sedan den energin till inre energi. Överföringen av den inre energin är det som kallas värme. Läsaren kan nu gå tillbaka till föregående avsnitt om termodynamikens första lag och se alla mina avsiktliga fel skrivna om ordet värme. Till exempel, Jag sa att i solen ”väteatomer smälts samman under intensiv värme och tryck för att bilda heliumatomer.”Detta är inte korrekt; jag borde ha sagt att” väteatomer smälts samman vid mycket höga temperaturer och tryck för att bilda heliumatomer.”
det finns tre olika värmeöverföringsmetoder: ledning, konvektion och strålning.
hur mycket värme som kan överföras mellan två kroppar beror på deras temperaturer och metoden för värmeöverföring. Värmeenergi kan inte omvandlas helt till arbete eller mekanisk energi, elektricitet eller någon annan form av energi. Detta har stor inverkan på effektiviteten hos värmemotorer. När bränsle bränns i en värmemotor frigörs den kemiska energin som lagras i bränslemolekylernas kemiska bindningar. Denna energi överförs till motorn som värme; emellertid kan inte all den värmen omvandlas till mekanisk energi. När människor utvecklade och försökte perfekta värmemotorer, som förbränningsmotorn, upptäckte de denna begränsning och var tvungna att förstå den. Resultatet var formuleringen av termodynamikens andra lag.
seminalarbetet på detta område berodde på en fransk ingenjör som heter Sadi Carnot. År 1824 publicerade han ett papper med titeln Reflections on the Motive Power of Fire and the Machines Needed to Develop This Power. Detta dokument presenterade tanken att mängden arbete som utförs av en värmemotor beror på värmeflödet från en varm till en kall kropp. Carnots förståelse av värme var fortfarande fast i den felaktiga kaloriteorin om värme, men hans slutsatser var fortfarande giltiga. Hans analys bestämde att den teoretiska värmen som kunde överföras till värmemotorn var proportionell mot temperaturskillnaden mellan värmekällan (den heta kroppen) och kylflänsen (den kalla kroppen). Denna analys gjorde det möjligt för honom att beräkna den teoretiska effektiviteten hos en värmemotor, vilket visade sig vara mycket lägre än effektiviteten hos andra energiomvandlingsprocesser.
med hjälp av Carnots analys kunde flera personer härleda olika uttalanden från termodynamikens andra lag. Några av dessa är:
det är omöjligt att producera arbete i omgivningen med hjälp av en cyklisk process ansluten till en enda värmebehållare (Thomson, 1851).
det är omöjligt att genomföra en cyklisk process med en motor ansluten till två värmebehållare som kommer att ha som enda effekt överföringen av en mängd värme från lågtemperaturreservoaren till högtemperaturreservoaren (Clausius, 1854).
i vilken process som helst ökar entropin i universum, vilket gör att den tenderar mot ett maximum (Clausius, 1865).
detta tredje uttalande introducerar begreppet entropi och sätter lagen på en mer matematisk grund. Eftersom mängden värme som överförs i vilken process som helst beror på temperaturen hos kroppen som överför värmen definieras entropi som den överförda värmen dividerad med temperaturen, T, vid vilken den överförs. Att ge entropi symbolen S och värmen överförde symbolen Q, per definition:
en viss förståelse av entropi krävs för att fullt ut förstå begränsningarna av energianvändningen. Detta illustreras i bilaga A och diskuteras i nästa avsnitt.
en av konsekvenserna av termodynamikens andra lag är att när du bränner bränsle för att driva en värmemotor kan bara en del av värmen från bränslet omvandlas till arbete i motorn. Resten måste avvisas till en kylfläns, som vanligtvis är atmosfären som omger motorn. Följaktligen är värmemotorer i sig ineffektiva. En annan konsekvens är att uppvärmning av ditt hus med ett elvärmeelement kommer att bli mycket dyrare än att använda de flesta andra bränslen. Detta beror på att elen har skapats med hjälp av en ineffektiv värmemotor där en del av värmen måste avvisas till omgivningen. Om ditt mål är att öka temperaturen på något utrymme (som ditt hus) är det bättre att bränna ett bränsle direkt och fånga så mycket av den värmen i ditt hus som möjligt. Effektiviteten av direkt uppvärmning genom att bränna ett bränsle är mycket högre än att skapa el där en del av värmen måste gå förlorad. Allt detta analyserades av Sadi Carnot med sin Carnot-cykel och publicerades 1824.
Sadi Carnot var den äldste sonen till en fransk revolutionär vid namn Lazare Carnot och föddes den 1 juni 1796 under den franska revolutionens höjd. Sadi studerade vid Polytechnique från och med 1812. När Sadi tog examen 1814 var Napoleons imperium på flykt och Europeiska trupper invaderade Frankrike. Under Napoleons återkomst till makten 1815 var Sadis far, Lazare Carnot, inrikesminister i några månader. Efter Napoleons sista nederlag senare samma år flydde Lazare till Tyskland för att aldrig återvända till Frankrike.
Sadi Carnot var en officer under större delen av sitt liv, men 1819 semiretired han från militären och började ägna sin uppmärksamhet åt att designa ångmotorer. Dessa motorer var de viktigaste arbetshästarna i Europa, särskilt Storbritannien, och användes för att pumpa vatten från gruvor, muddringshamnar och floder, slipa vete och snurra och väva tyg; de var dock något ineffektiva. Importen av de mer avancerade Brittiska ångmotorerna till Frankrike efter kriget visade Carnot hur långt fransmännen hade fallit efter i sin teknik. Han var särskilt bestört över att britterna hade utvecklats så långt genom geni av några ingenjörer som saknade någon verklig vetenskaplig utbildning. Brittiska ingenjörer hade också samlat och publicerat tillförlitliga uppgifter om effektiviteten hos många typer av motorer under faktiska körförhållanden; de argumenterade för fördelarna med låg-och högtrycksmotorer och encylindriga och flercylindriga motorer.
Carnot förstod implicit att stora civilisationer behöver utnyttja energi för att utveckla sin teknik. Övertygad om att Frankrikes otillräckliga utnyttjande av ånga var en faktor i dess undergång, började han skriva ett icke-Tekniskt arbete med ångmotorernas effektivitet. Andra arbetare före honom hade undersökt frågan om att förbättra ångmotorernas effektivitet genom att jämföra expansion och komprimering av ånga med produktion av arbete och bränsleförbrukning. I sin essä, r Exceptionalflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres exceptional d exceptional cette puissance (Reflections on the Motive Power of Fire and the Machines Needed to Develop This Power), publicerad 1824, gav Carnot mycket uppmärksamhet åt teorin om processen som inte berör sig själv, som andra hade gjort, med sina mekaniska detaljer.
Carnot uppgav att i en ångmotor produceras motivkraft när värmen ”sjunker” från pannans högre temperatur till kondensorns lägre temperatur, precis som vatten, när det faller, ger kraft i ett vattenhjul. Han arbetade inom den teoretiska ramen för kaloriteorin om värme, förutsatt att värme var en gas som varken kunde skapas eller förstöras. Även om detta antagande var felaktigt och Carnot själv tvivlade på det även när han skrev sin uppsats, var många av hans resultat ändå sanna. En av dessa var hans förutsägelse att effektiviteten hos en idealiserad motor bara beror på temperaturen på dess hetaste och kallaste delar och inte på ämnet (ånga eller någon annan vätska) som driver mekanismen.
Carnot förstod att varje termodynamiskt system existerar i ett visst termodynamiskt tillstånd. När ett system tas genom en serie olika tillstånd och slutligen återgår till sitt ursprungliga tillstånd, sägs en termodynamisk cykel ha inträffat. Under processen att gå igenom denna cykel kan systemet utföra arbete på sin omgivning och därigenom fungera som en värmemotor. Cykeln som han föreslog och använde i sin analys är nu känd som Carnot-cykeln. Ett system som genomgår en Carnot-cykel kallas en Carnot heat engine, även om en sådan” perfekt ” motor bara är teoretisk och inte kan byggas i praktiken.
de matematiska detaljerna i Carnot-cykeln visas i bilaga A, men det är inte nödvändigt att fullt ut förstå dessa Detaljer för att uppskatta dess användbarhet. Carnot-cykeln när den fungerar som en värmemotor består av följande fyra steg:
reversibel och isotermisk expansion av arbetsvätskan vid den ”heta” temperaturen, TH (isotermisk värmetillsats). Under detta steg bränns bränslet och skapar den heta temperaturen och får arbetsvätskan eller gasen att expandera. Den expanderande gasen gör att motorns kolv fungerar på omgivningen. När kolven tvingas röra sig driver den en axel som omvandlar arbetet till kinetisk energi. Gasutvidgningen drivs av absorptionen av värme från högtemperaturreservoaren som skapas av det brinnande bränslet.
en reversibel och adiabatisk (isentropisk) expansion av arbetsvätskan (isentropisk arbetsutgång). Kom ihåg att adiabatisk betyder att det inte finns någon värme överförd. Isentropisk betyder att systemets entropi förblir konstant. För detta steg antas kolven och cylindern vara värmeisolerade (adiabatiska), så att de varken får eller förlorar värme. Gasen fortsätter att expandera och arbetar med omgivningen. När gasen expanderar kyler den också och förlorar energi. Eftersom processen är isolerad kan den dock inte förlora den energin som värme. Detta tvingar gasen att fortsätta arbeta genom att köra kolven. Denna expansion av gasen får den att svalna till den ”kalla” temperaturen, TC.
reversibel isotermisk kompression av gasen vid ”kall” temperatur, TC (isotermisk värmeavstötning). I detta steg arbetar omgivningen på gasen, vilket får en mängd värme att strömma ut ur gasen till lågtemperaturbehållaren.
Isentropisk kompression av gasen (isentropisk arbetsinmatning). Återigen antas kolven och cylindern vara värmeisolerad (eller adiabatisk). Under detta steg arbetar omgivningen genom kolven på gasen, komprimerar den och får temperaturen att stiga till th. Vid denna tidpunkt är gasen i samma tillstånd som i början av steg ett.
motsatsen till en värmemotor är ett kylskåp. En värmemotor bränner bränsle som en del av en termodynamisk cykel för att skapa värme som omvandlas till mekanisk energi. Ett kylskåp skickar cykeln i motsatt riktning och använder elektrisk energi för att skapa mekanisk energi som sedan pumpar värme från den kalla kroppen till den varmare kroppen.
värmemotorns verkningsgrad, enligt definitionen av det arbete som produceras dividerat med värmetillförseln från den varma behållaren. I bilaga A beräknas verkningsgraden enligt följande:
där
W är det arbete som utförs av systemet (energi som lämnar systemet som arbete).
QH är värmen som sätts in i systemet (värmeenergi som kommer in i systemet).
TC är den absoluta temperaturen i den kalla behållaren.
th är den absoluta temperaturen hos den heta behållaren.
denna effektivitet beskriver fraktionen av värmeenergin som extraheras från den heta behållaren och omvandlas till mekaniskt arbete. En Rankine-cykel är vanligtvis den praktiska approximationen av en Carnot-cykel för en ångmotor. Det visas i bilaga A att för varje cykel som arbetar mellan temperaturer TH och TC kan ingen överstiga effektiviteten hos en Carnot-cykel.
Carnots sats är ett formellt uttalande om detta faktum: ingen motor som arbetar mellan två värmebehållare kan vara effektivare än en Carnot-motor som arbetar mellan samma reservoarer. Ekvation 3.1 ger maximal effektivitet för alla motorer med motsvarande temperaturer. En följd av Carnots sats säger att: Alla reversibla motorer som arbetar mellan samma värmebehållare är lika effektiva. Den högra sidan av ekvation 3.1 ger vad som kan vara en lättare förstådd form av ekvationen: den teoretiska maximala effektiviteten hos en värmemotor är lika med skillnaden i temperatur mellan den varma och kalla reservoaren dividerad med den heta reservoarens absoluta temperatur. För att hitta den absoluta temperaturen i grader Kelvin, Lägg till 273,15 kcal till Celsius-temperaturen. För att hitta den absoluta temperaturen i grader Rankine, Lägg till 459,6 kcal till Fahrenheit-temperaturen. Titta på formeln i ekvation 3.1, ett intressant faktum blir uppenbart. Att sänka temperaturen på den kalla behållaren kommer att ha mer effekt på takeffektiviteten hos en värmemotor än att höja temperaturen på den heta behållaren med samma mängd. I den verkliga världen kan detta vara svårt att uppnå eftersom den kalla behållaren ofta är en befintlig Omgivningstemperatur, såsom atmosfären.
med andra ord uppnås maximal effektivitet om ingen ny entropi skapas i cykeln. I praktiken leder den nödvändiga dumpningen av värme i miljön för att avyttra överskott av entropi till en minskning av effektiviteten. Ekvation 3.1 ger effektiviteten hos någon teoretiskt reversibel värmemotor.
Carnot insåg att det i verkligheten inte är möjligt att bygga en termodynamiskt reversibel motor. Verkliga värmemotorer är mindre effektiva än vad som anges i ekvation 3.1. Likväl är ekvation 3.1 extremt användbar för att bestämma den maximala effektivitet som någonsin kan förväntas för en given uppsättning termiska reservoarer.
det finns fyra praktiska värmemotorcykler i stor användning idag, var och en försöker approximera Carnot termodynamiska cykeln. De är
Otto-cykeln, som ligger till grund för bensinmotorn.
Dieselcykeln, kommersialiserad i dieselmotorn.
Rankine-cykeln, grunden för ångmotorer som ofta används idag i kraftverk för att generera el.
Brayton-cykeln används i gasturbiner som används för att generera el eller ge dragkraft.
det finns också Stirling-cykeln som kan användas för att göra en praktisk extern förbränningsvärmemotor, men denna motor har aldrig kommersialiserats. Trots detta finns ett stort intresse för att utveckla Stirling-motorer eftersom ett stort antal bränslen kan användas för att driva sådana motorer, inklusive solenergi. Stirling-motorn är ett alternativ till Rankine-cykelmotorn.
entropi-uttalandet i den andra lagen tillåter också forskare att analysera kemiska reaktioner, vätskans fasbeteende och många andra till synes okopplade processer. Det förklarar också varför människor säger att de använder energi när de faktiskt omvandlar energi från en form till en annan. När bränsle bränns för att generera energi omvandlas kemisk energi till värme och sedan omvandlas en del av den värmeenergin till El. En del av det avvisas också till atmosfären där det inte längre är användbart. Denna elektricitet skapar ljus i en glödlampa, som också går förlorad som värme till atmosfären.
om bränslet används för att driva en förbränningsmotor för att driva en bil efter att en del av värmen har avvisats till atmosfären, skapar resten av bränslets energi användbar och användbar kinetisk energi. All den kinetiska energin förloras så småningom som friktionsvärme, vilket också förloras för atmosfären. All energi vi” använder ” går förlorad som värme som mest har överförts till atmosfären, varav en del sedan utstrålas genom rymden till andra delar av universum.
en annan konsekvens av termodynamikens första och andra lagar är att maskiner för evig rörelse inte är möjliga. Den första lagen säger helt enkelt att om du sätter en maskin i rörelse genom att förse den med energi kan den fortsätta att springa för alltid i en friktionslös miljö. Du kunde inte extrahera mer energi tillbaka ut ur det än du lägger in eftersom det skulle bryta mot den första lagen. Den andra lagen säger att du inte ens kan få ut så mycket som du lägger in eftersom en del av energin går förlorad som värme via friktion. Maskiner för evig rörelse faller i två kategorier: de som bryter mot termodynamikens första lag och de som bryter mot termodynamikens andra lag.
entropiparametern är också ett mått på universums slumpmässighet, och den andra lagen säger att universums slumpmässighet ökar. Med andra ord, när processer utvecklas, tenderar elementen i universum till ett mer oordnat tillstånd.
svaret på frågan ” Vad menar vi när vi säger att vi använder energi?”är att den tillgängliga energin används och sedan omvandlas till otillgänglig energi. Elektrisk energi, potentiell energi, kinetisk energi och kemisk energi i bränslen är alla tillgängliga former av energi. Energi förlorad till atmosfären som värme blir mestadels otillgänglig energi. Det är svårt att utvinna energi från atmosfären eftersom temperaturen inte är tillräckligt hög. Den kumulativa effekten av energi som förloras till atmosfären eller havet är att den också kontinuerligt utstrålas till resten av universum där den blir helt otillgänglig. Termodynamikens andra lag styr denna process.
termodynamikens lagar har många fler tillämpningar än vad som har visats här, men det ligger utanför ramen för denna bok. Här är det helt enkelt nödvändigt att ha en liten förståelse för termodynamikens lagar så att energiprocesserna kan förstås lite bättre.