Η δήλωση Kelvin-Planck του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής

Η δήλωση Kelvin-Planck του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής εξηγεί τη λειτουργία μιας θερμικής μηχανής σε μια κυκλική διαδικασία. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής έχει περιορισμούς. Για παράδειγμα, δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί ορισμένες διεργασίες σε ένα κλειστό σύστημα αντιστρέφονται. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής εξηγεί αυτούς τους περιορισμούς. Από αυτή την άποψη, η δήλωση Kelvin-Planck εξηγεί την έννοια της εργασίας που έχει γίνει και την απόδοση μιας θερμικής μηχανής. Διαβάστε παρακάτω για λεπτομερείς σημειώσεις σχετικά με τη δήλωση Kelvin-Planck του 2ου νόμου της θερμοδυναμικής.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής

Ο δεύτερος νόμος ασχολείται με την απόδοση και την εργασία που γίνεται στις θερμικές μηχανές. Δίνει τον περιορισμό για τον συντελεστή ενός μηχανικού ψυγείου.

Με απλά λόγια, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η συνολική απόδοση μιας θερμικής μηχανής που λειτουργεί σε μια διαδικασία ποδηλασίας δεν μπορεί ποτέ να φτάσει σε ενότητα. Επομένως, ο νόμος συνεπάγεται ότι η θερμότητα που απελευθερώνεται στην ψυχρή δεξαμενή από μια θερμική μηχανή δεν μπορεί ποτέ να μηδενιστεί.

Για ένα μηχανικό ψυγείο, ο δεύτερος νόμος λέει ότι ο συντελεστής απόδοσης δεν μπορεί ποτέ να είναι άπειρος. Έτσι, η συνολική εξωτερική εργασία (W) που γίνεται στο ψυγείο δεν θα είναι ποτέ μηδενική.

Δήλωση Kelvin-Planck του 2ου Νόμου της Θερμοδυναμικής

Η δήλωση Kelvin-Planck αρνείται την πιθανότητα μιας τέλειας θερμικής μηχανής, υποστηρίζοντας τη δήλωση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Η δήλωση είναι η εξής:

"Δεν είναι δυνατή καμία διαδικασία που το αποτέλεσμα της είναι η απορρόφηση θερμότητας από μια δεξαμενή και η πλήρης μετατροπή της θερμότητας σε εργασία."

Σύμφωνα με αυτή τη δήλωση, είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ένας θερμικός κινητήρας σε έναν θερμοδυναμικό κύκλο που παράγει ισχύ κατά τη διάρκεια της ανταλλαγής θερμότητας με μία δεξαμενή θερμότητας. Με άλλα λόγια, η συνολική ποσότητα εξωτερικής εργασίας που γίνεται σε αυτούς τους κινητήρες δεν μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμη εργασία.

Οι θερμικές μηχανές πρέπει να ανταλλάσσουν θερμότητα με δύο δεξαμενές θερμότητας. Οι δύο δεξαμενές περιλαμβάνουν μια πηγή θερμότητας και μια ψύκτρα. Κατά τη λειτουργία της θερμικής μηχανής, ένα σημαντικό μέρος της συνολικής θερμικής ενέργειας απελευθερώνεται στον θερμικό νεροχύτη.

Δήλωση Clausius του 2ου Νόμου της Θερμοδυναμικής

«Η θερμότητα δεν μπορεί να ρέει από χαμηλή σε υψηλή θερμοκρασία χωρίς την εφαρμογή εξωτερικών εργασιών. Επίσης, η ενέργεια δεν θα ρέει αυθόρμητα από ένα αντικείμενο χαμηλής θερμοκρασίας σε ένα αντικείμενο υψηλότερης θερμοκρασίας.»

Θερμικός κινητήρας

• Ο θερμικός κινητήρας είναι μια μηχανική συσκευή που χρησιμοποιείται για να υποβληθεί σε μια κυκλική διαδικασία. Αυτή η διαδικασία μετατρέπει τη θερμότητα που παράγεται στο σύστημα σε έργο που εκτελείται από το σύστημα.
• Η θερμική μηχανή αποτελείται από μια λειτουργική ουσία που ονομάζεται σύστημα του κινητήρα. Λειτουργεί ως καύσιμο του κινητήρα. Για παράδειγμα, σε έναν κινητήρα ντίζελ, οι ατμοί του καυσίμου και τα μόρια του αέρα είναι οι ουσίες που λειτουργούν.
• Η ουσία εργασίας υφίσταται επίσης έναν κύκλο διεργασιών. Σε ορισμένες από αυτές τις διαδικασίες, η θερμική μηχανή απορροφά θερμότητα Q1 από μια εξωτερική πηγή. Η εξωτερική πηγή ονομάζεται δεξαμενή και έχει θερμοκρασία Τ1. Το T1 είναι συνήθως πολύ υψηλό.
• Στον επόμενο κύκλο, η εργαζόμενη ουσία απελευθερώνει μια ποσότητα θερμότητας, Q2, σε μια εξωτερική πηγή σε θερμοκρασία T2. Η τιμή του Τ2 είναι συγκριτικά χαμηλότερη από την Τ1.
• Η συνολική εργασία που γίνεται από τη θερμική μηχανή (W) στο σύστημα μεταφέρεται στο περιβάλλον.

Εφαρμογές της δήλωσης Kelvin-Planck

Η δήλωση Kelvin-Planck του 2ου νόμου της θερμοδυναμικής είναι σημαντική και έχει πολλές εφαρμογές στην καθημερινή μας ζωή. Ακολουθούν ορισμένα πραγματικά παραδείγματα αυτής της δήλωσης:

• Τα περισσότερα αυτοκίνητα που βλέπουμε καθημερινά βασίζονται στη δήλωση Kelvin-Planck και χρησιμοποιούν τη μηχανή του Carnot για λειτουργίες.
• Διαφορετικά αυτοκίνητα χρησιμοποιούν διαφορετικά καύσιμα για τη λειτουργία των κινητήρων τους. Για παράδειγμα, ένα αυτοκίνητο μπορεί να χρησιμοποιεί βενζίνη και ένα πλοίο ή φορτηγό μπορεί να χρησιμοποιεί ντίζελ. Ωστόσο, ο θεμελιώδης νόμος των θερμικών μηχανών δεν αλλάζει.
• Πολλά παραδείγματα ηλεκτρονικών βασίζονται στο δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, όπως ψυγεία, κλιματιστικά και άλλες συσκευές.
• Ο συμπιεστής αερίου, όπως οι ανεμιστήρες, χρησιμοποιεί επίσης τη δήλωση του Kelvin-Planck.
• Η μεταφορά θερμότητας, που παρατηρείται συχνότερα σε ψύκτες και καλοριφέρ, είναι η πιο σημαντική εφαρμογή του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου. Η θερμότητα μεταφέρεται μεταξύ δύο μέσων με τις ακόλουθες τρεις διαδικασίες:
  1. Αγωγή
  2. Συναγωγή
  3. Ακτινοβολία
• Η σημασία της δήλωσης Kelvin-Planck φαίνεται επίσης στη βιομηχανία ηλεκτροπαραγωγής. Οι θερμικοί, πυρηνικοί, υδροηλεκτρικοί και άλλοι τύποι σταθμών ηλεκτροπαραγωγής σχεδιάζονται με βάση τις αρχές του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.

Συμπέρασμα

Μια θερμική μηχανή ορίζεται ως ένα κλειστό σύστημα που περνά από μια κυκλική διαδικασία και μετατρέπει τη θερμότητα που παράγεται από τους μηχανικούς στο έργο που εκτελεί ο κινητήρας. Η δήλωση Kelvin-Planck του 2ου νόμου της θερμοδυναμικής εξηγεί την απόδοση των θερμικών μηχανών.

Η δήλωση Kelvin-Planck είναι σημαντική καθώς έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην καθημερινή μας ζωή. Η ιδέα χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό διαφόρων συσκευών και μηχανών με θερμικές μηχανές. Το παραπάνω άρθρο παρέχει περιεκτικές σημειώσεις σχετικά με τη δήλωση Kelvin-Planck.