A doua lege a termodinamicii – Motoare termice

Un motor termic este un dispozitiv folosit pentru a extrage căldura dintr-o sursă și apoi a o transforma în lucru mecanic care este folosit pentru tot felul de aplicații. De exemplu, un motor cu abur dintr-un tren de tip vechi poate produce lucrul mecanic necesară deplasării trenului. Din construcția și aplicarea motoarelor termice apar mai multe întrebări. De exemplu, care este procentul maxim de căldură extrasă care poate fi folosită pentru lucrul mecanic? Aceasta se dovedește a fi o întrebare la care se poate răspunde doar prin a doua lege a termodinamicii.

A doua lege a termodinamicii poate fi enunțată formal în mai multe moduri. O afirmație prezentată până acum este despre direcția fluxului de căldură spontan, cunoscută sub numele de afirmația Clausius. Alte câteva afirmații se bazează pe motoarele termice. Ori de câte ori luăm în considerare motoarele termice și dispozitivele asociate, cum ar fi frigiderele și pompele de căldură, nu folosim convenția normală a semnelor pentru căldură și lucru mecanic. Pentru comoditate, presupunem că simbolurile Q_h, Q_c, și W reprezintă doar cantitățile de căldură transferate și de lucru mecanic livrat, indiferent care sunt donorii sau receptorii. În cazul în care căldura intră sau iese dintr-un sistem, și dacă lucrul mecanic este efectuat către sau de către un sistem, sunt indicate prin semne adecvate în fața simbolurilor și prin direcțiile săgeților din diagrame.

Se pare că avem nevoie de mai mult de o sursă/bazin de căldură pentru a construi un motor termic. Vom reveni la acest punct mai târziu în capitol, când vom compara diferite afirmații ale celei de-a doua legi a termodinamicii. Pentru moment, presupunem că un motor termic este construit între o sursă de căldură (rezervor de temperatură înaltă sau rezervor fierbinte) și un radiator (rezervor de temperatură joasă sau rezervor rece), reprezentat schematic în Figura 4.4. Motorul absoarbe căldura Q_h dintr-o sursă de căldură (rezervor fierbinte) cu temperatura Kelvin T_h, folosește o parte din acea energie pentru a produce lucrul mecanic util W, și apoi transmite energia rămasă sub formă de căldură Q_c într-un radiator (rezervor rece) de temperatura Kelvin T_c. Centralele electrice și motoarele cu ardere internă sunt exemple de motoare termice. Centralele electrice folosesc abur produs la temperatură ridicată pentru funcționarea generatoarelor electrice, în timp ce eliberează căldură în atmosferă sau în corpul de apă din apropiere cu rol de radiator. Într-un motor cu ardere internă, un amestec fierbinte gaz-aer este folosit pentru a împinge un piston, iar căldura este evacuată în atmosfera din apropiere într-un mod similar.

Figura 4.4 O reprezentare schematică a unui motor termic. Energia curge din rezervorul cald în rezervorul rece în timpul lucrului.

Motoarele termice reale au multe modele diferite. Exemplele includ motoarele cu ardere internă, cum ar fi cele utilizate în majoritatea mașinilor astăzi, și motoarele cu ardere externă, cum ar fi motoarele cu abur utilizate în trenurile vechi cu motoare cu abur. Figura 4.5 prezintă o fotografie a unei centrale nucleare în funcțiune. Atmosfera din jurul reactoarelor acționează ca rezervor rece, iar căldura generată din reacția nucleară furnizează căldura din rezervorul fierbinte.

Figura 4.5 Căldura evacuată de la o centrală nucleară merge către turnurile de răcire, unde este eliberată în atmosferă. (Reactorul Nuclear Dukovany, Republica Cehă. Credit Petr Adamek/Wikimedia Commons), Domeniu public)

Motoarele termice funcționează prin transportul unei substanțe de lucru printr-un ciclu. Într-o centrală electrică cu abur, substanța de lucru este apa, care începe ca un lichid, se vaporizează, este apoi folosită pentru a antrena o turbină și, în final, este condensată înapoi în stare lichidă. Așa cum este cazul tuturor substanțelor de lucru din procesele ciclice, odată ce apa revine la starea inițială, aceasta repetă aceeași secvență.

Pentru moment, presupunem că ciclurile motoarelor termice sunt reversibile, deci nu există pierderi de energie prin frecare sau alte efecte ireversibile. Să presupunem că motorul din figura 4.4 trece printr-un ciclu complet și că Q_h, Q_c, și W reprezintă căldura schimbată și lucrul mecanic efectuat pentru acel ciclu. Deoarece stările inițiale și finale ale sistemului sunt aceleași, ΔE_int = 0 pentru ciclu. Avem deci din prima lege a termodinamicii,

W = Q – ΔE_int = (Q_h − Q_c) − 0,

astfel încât

(4.1)   W = Qh − Qc.

 

Cea mai importantă măsură a unui motor termic este eficiența (e), care este pur și simplu „ceea ce scoatem” împărțit la „ceea ce introducem” în timpul fiecărui ciclu, așa cum este definit de e = W_out/Q_in.

Cu un motor termic care lucrează între două rezervoare de căldură, obținem W și introducem Q_h, deci randamentul motorului este

(4.2)   e = W/Qh = 1 – Qc/Qh.

 

Aici, am folosit ecuația 4.1, W = Q_h − Q_c, în pasul final al acestei expresii pentru eficiență.

EXEMPLUL 4.1 O mașină de tuns iarba O mașină de tuns iarba este evaluată cu o eficiență de 25,0% și o putere medie de 3,00 kW. Care sunt (a) lucrul mecanic mediu și (b) evacuarea minimă de căldură în aer de către mașina de tuns iarba într-un minut de utilizare? Strategie Din puterea medie – adică rata de producție a lucrului mecanic – putem afla lucrul mecanic efectuat în timpul scurs dat. Apoi, din randamentul dat, putem determina evacuarea termică minimă Qc = Qh(1 − e) cu Qh = Qc + W. Soluţie a. Lucrul mecanic mediu furnizat de mașina de tuns iarba este W = PΔt = 3,00 × 103 × 60 × 1,00 J = 180 kJ. b. Căldura minimă evacuată în aer este dată de Qc = Qh(1 − e) = (Qc + W)(1 − e), din care rezultă Qc = W(1/e − 1) = 180 × (1/0,25 − 1) kJ = 540kJ. Semnificaţie Pe măsură ce eficiența crește, căldura minimă evacuată scade. Acest lucru ajută mediul și atmosfera, prin faptul că nu avem atât de multă căldură reziduală.

 

Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2023 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3