Joonisel 1.28a on pealt lahtine gaasi täis silinder, milles saab hõõrdevabalt liikuda kolb. Kui gaasi piirituslambiga kuumutada, siis gaas paisub ja lükkab kolbi ülespoole. Kolvile mõjuv jõud teeb tööd

milles $\Delta V$ on ruumala muut. Isobaarilise protsessi korral on gaasi töö

1.28a	1.28b

Joonisel 1.28. b on selle protsessi graafik $pV$-teljestikus. Graafikult on näha, et $p\Delta V$ on ühtlasi arvuliselt võrdne graafiku ja ruumala telje vahelise ristküliku pindalaga. Sama kehtib ka teiste protsesside, näiteks isotermilise korral (joonis 1.28. c).

1.28c

Mehaanilist tööd tehakse alati mingi teise energia arvel. Joonisel 1.28. a on selleks piirituse põlemisel eraldunud soojushulk. Kui gaasil lastakse paisuda, aga mingit energiat juurde ei anta, toimub protsess gaasi siseenergia vähenemise arvel ja gaasi temperatuur väheneb. Toodud näidete põhjal järeldub, et nii töö kui ka soojushulk muudavad keha siseenergiat.

Kütuse põlemise, gaasi kondenseerumise, vedeliku tahkumise ja keha jahtumisega kaasneb soojushulga eraldumine. Need soojushulgad on võrdelised keha massiga. Keha jahtumisel eraldunud soojushulk on lisaks võrdeline temperatuuri muuduga. Vt alljärgnevaid valemeid.

Põlemine

kus $r$ – kütuse kütteväärtus

Aurustumine ja kondenseerumine

kus $L$ – aurustumissoojus

Sulamine ja tahkumine

kus $\alpha$ – sulamissoojus

Temperatuuri muutus

kus $c$ – erisoojus

18. sajandi teisest poolel alanud tööstuslik pööre soodustas uute jõumasinate konstrueerimist ja nende tehniliste näitajate parandamist. Vesi- ja tuuleveskitele lisandusid aurumasinad, mille kasutegur oli esialgu väike, ühe protsendi lähedal. 19. sajandi esimesel poolel uurisid paljud teadlased tule nn liikumapanevat jõudu. Uurimuste käigus tekkis ja täpsustus füüsikaline suurus energia, mis osutus looduslike protsesside kirjeldamisel väga üldiseks. Selgusid mehaaniliste ja soojuslike protsesside seosed ja erinevused. Uuriti, kuidas saab muuta mehaanilist ja elektrienergiat soojuseks ning vastupidi. Sajandi keskel jõuti üldistatud arusaamani energia jäävusest ja muundumisest – sõnastati termodünaamika 1. seadus.

Keha siseenergia muut on võrdne kehale antud soojushulga ja väliste jõudude poolt tehtud töö summaga

Kõik seaduse valemis esinevad suurused võivad olla nii positiivsed kui ka negatiivsed. Joonisel 1.29. on kujutatud olukord, kus silindris olevale gaasile antakse soojushulk ja samal ajal suruvad välised jõud gaasi kokku.

Tavaliselt loetakse saadud soojushulka positiivseks ja äraantud soojushulka negatiivseks. Töö on negatiivne siis, kui keha ise teeb tööd oma siseenergia kahanemise arvel. Joonisel on nii soojushulk kui ka väliste jõudude töö positiivsed.

Protsessi, mille korral ei toimu soojusvahetust väliskeskkonnaga, nimetatakse adiabaatiliseks protsessiks. Selles protsessis $Q=0$ ja keha siseenergia muutub üksnes mehaanilise töö tõttu. Isohoorilise protsessi korral ei tehta tööd, $A=0$, ja keha siseenergia muut on võrdne saadud või ära antud soojushulgaga. Mehaanikast on teada, et hõõrde- ja takistusjõudude esinemisel keha mehaaniline koguenergia väheneb, muutudes teiseks energialiigiks – siseenergiaks M. Augustikuise meteoorivoolu juures on näha, kuidas suure kiiruse, takistusjõu ja temperatuuritõusu tõttu meteoor Maa atmosfääris süttib ja aurustub.

Paljude katsete põhjal on sõnastatud ka üldine energia jäävuse seadus. Suletud süsteemi koguenergia on jääv. Energia liik pole oluline, oluline on vaid see, et ei toimu energiavoolu süsteemist välja või sisse FLA M. Samuti võib toimuda süsteemi sees ühe energialiigi muutumine teiseks.

Temperatuuri peatükis 4.1 on kirjas, et soojus läheb iseenesest soojemalt kehalt külmemale, kuni soojusliku tasakaalu saabumiseni. Äsja sõnastatud termodünaamika esimene seadus ei keela ka vastupidise protsessi toimumist, aga millegipärast vette visatud sulatina iseenesest uuesti soojaks ei lähe. Iseeneslikud (spontaansed) soojuslikud protsessid toimuvad soojusliku tasakaalu suunas. Termodünaamika 2. seadus väidab, et soojus ei saa minna iseeneslikult külmemalt kehalt soojemale. Külmkapis ja soojapumbas toimub küll soojuse ülekanne külmemalt kehalt soojemale, kuid see ei toimu spontaanselt, vaid välisjõudude töö tulemusel.

Olgu meil anum ruumalaga $V$. Jaotame selle mõttes $n$ võrdseks osaks. Kui anumas on üks molekul, siis on selles ruumalaosas

molekuli leidmise tõenäosus

Kui anumas on $2$ molekuli, siis on nende üheaegse leidmise tõenäosus samas osas

Kui anumas on $N$ molekuli, on nende kõigi leidmise tõenäosus samas

Oletame, et esimeses olekus (joonis 1.30. a) on kõik gaasi molekulid koondunud anuma vasakusse ossa, mille ruumala on $V_I$, ja teises olekus on kõik molekulid anuma osas $V_{II}$ (joonis 1.30. b). Leiame nende olekute tõenäosuste suhte:

1.30a Molekulid anuma osas V1	1.30b Molekulid anuma osas V2

Kui anumas on $10$ molekuli ja ruumalad $V_{II}$ ja $V_I$ suhtuvad nagu $1/2:1/3=3/2$, on tõenäosuste suhe $(3/2{)}^{10}\approx 58$, st teise oleku tõenäosus on esimese omast u $58$ korda suurem. Kui molekule oleks $100$, siis teise oleku tõenäosus oleks esimese omast u $4\cdot {10}^{17}$ korda suurem ja $500$ molekuli korral oleks teine olek ligikaudu $1,1\cdot {10}^{88}$ korda tõenäosem. Siit võib järeldada, et suure arvu molekulide puhul on kõige suurema tõenäosusega olek selline, kus osakesed on jaotunud ühtlaselt kogu anuma ulatuses. Sellele vastab soojusliku tasakaalu olek. Iseeneslikud protsessid viivad süsteemi suurima tõenäosusega olekusse.

Ideaalne gaas saab temperatuuril $T$ soojushulga $\Delta Q$. Saadud soojushulga ja absoluutse temperatuuri suhet nimetatakse entroopia muuduks:

Entroopia ja tema muudu ühikuks SI-s on $J/K$. Sama ühik on ka Boltzmanni konstandil. Saab näidata, et entroopia muutu võib arvutada ka tõenäosuste suhte põhjal valemist

kus $k$ on Boltzmanni konstant ja $\ln w$ naturaallogaritm tõenäosuste suhtest.

Soojuslikke protsesse jaotatakse pööratavateks ja pöördumatuteks. Pööratav protsess koosneb üksteisele järgnevatest tasakaaluolekutest ja entroopia muut nendes on $0$. Protsessidele, milles entroopia kasvab, vastavad pöördumatud muutused süsteemis, mis vähendavad süsteemi võimet teha tööd, sest osa energiast on pöördumatult muundunud soojuseks. Suletud süsteemis ei saa entroopia kahaneda.

Viimane lause ja võrratus on oma sisult termodünaamika 2. seadus, mis väljendab teiste sõnadega asjaolu, et soojus saab iseenesest (spontaanselt) levida ainult kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale.

Soojusmasin muundab soojushulga mehaaniliseks tööks. Ajalooliselt oli esimeseks soojusmasinaks aurumasin, mida kasutati alates 17. sajandi lõpust kaevandusest vee väljapumpamiseks ja õhutamiseks. 19. sajandi algul oli aurumasin piisavalt väike, et kasutada teda jõumasinana transpordis, auruvedurites ja aurulaevades. Hiljem leiutati sisepõlemismootorid, auruturbiinid, reaktiivmootorid jne. Soojusmasinal on alati kolm põhilist osa: soojendi, töötav keha ja jahuti (joonis 1.31. a).

Töötavale kehale, milleks on tavaliselt gaas, antakse soojendist soojushulk $Q_1$. Gaas teeb paisudes mehaanilist tööd $A$. Pideva töö tegemiseks peab töötava keha olek taastuma teatava aja – tsükli – jooksul, milleks tuleb soojendist saadud soojushulgast anda osa $Q_2$ jahutile. Jahutiks on üldjuhul ümbritsev keskkond. Tsükli lõpus on gaas jälle algolekus ja siseenergia muut $0$. Termodünaamika esimese seaduse kohaselt on mehaaniline töö gaasi paisumisel $A=Q_1–Q_2$. Soojusmasina kasutegur $\eta$ on mehaanilise töö ja soojendist saadud energia suhe, mida väljendatakse tihti protsentides.

Prantsuse teadlane Carnot näitas 19. sajandi alguses, et nn ideaalse soojusmasina kasutegur on

kus $T_1$ ja $T_2$ on vastavalt soojendi ja jahuti absoluutsed temperatuurid.

Valem 1.29. näitab, et ülekantavast soojushulgast saab seda rohkem mehaanilist tööd, mida suurem on temperatuuride vahe soojusülekandel.

Ideaalse soojusmasina tsükkel koosneb kahest isotermilisest ja kahest adiabaatilisest protses­sist (joonis 1.31. b).Ideaalse soojusmasina kasutegur on suurim antud temperatuurivahemikus töötavate masinate hulgas.

Gaas teeb paisudes tööd, mis on arvuliselt võrdne kujundi $ABC{C}^{\prime }{A}^{\prime }$ pindalaga. Osa sellest tööst tuleb aga kulutada gaasi kokkusurumiseks protsessis $CDA$. Selleks vajalik töö on arvuliselt võrdne sinisega viirutatud kujundi $CDA{A}^{\prime }{C}^{\prime }$ pindalaga. Kasuliku töö hulk on võrdne punasega viirutatud osa $ABCD$ pindalaga.

Soojusmasinate tegelik kasutegur ei ole suur, sest soojendi temperatuur on piiratud materjali sulamistemperatuuriga ja jahuti temperatuur ümbritseva keskkonna omaga.

Soojusmasinateks loetakse ka vastassuunalise tsükliga töötavaid masinaid (külmuti, soojuspump), mis tööd tehes liigutavad soojust külmemalt kehalt soojemale. Mõiste kasutegur omandab nende juures teise tähenduse.

Kasutades soojusmasina mõistet, võime anda termodünaamika 2. seadusele uue sõnastuse. Ei ole võimalik ehitada soojusmasinat, mis muudab soojuse täielikult tööks.

Enamikul sõiduautodel ning väiksematel veoautodel on $4$-taktiline bensiinimootor. Selle mootori põhimõtted töötati välja juba poolteist sajandit tagasi ning need on suuresti samad ka tänapäeval. Bensiinimootori töö (joonis 1.32.) põhineb silindris elektrisädemega süüdatud küttesegu (bensiini ja õhu segu) paisumisel. Paisuv gaas paneb kolvi silindris liikuma ja see muudetakse kepsu abil väntvõlli pöörlevaks liikumiseks. Mootori jõuülekanne paneb rattad pöörlema ja auto kulgevalt liikuma.

1.32 Sisepõlemismootori ehitus	1.33 4-taktiline sisepõlemismootor

Gaasiline küttesegu, mis silindri sees põleb ja paisub, valmistatakse eelnevalt ette (näiteks karburaatoris). Joonisel 1.33. on toodud silindris oleva gaasi rõhu sõltuvus ruumalast ja mootori kolvi asendid nelja erineva takti jooksul.

1. Sisselasketakt $AB$: sisselaskeklapp avatakse, kolb liigub paremale ning bensiini ja õhu segu imetakse silindrisse.
2. Survetakt $BC$: klapid on suletud, kolb liigub vasakule ning kütusesegu surutakse kokku ja pannakse plahvatama elektrisädeme toimel.
3. Töötakt $CD$: kolb surutakse paisuva gaasi poolt paremale ja kolviga ühendatud keps sunnib väntvõlli pöörlema.
4. Väljalasketakt $DA$: väljalaskeklapp avaneb, kolb liigub vasakule ja põlemisjäägid surutakse silindrist välja.

Üks tsükkel on sellega läbi ja edasi protsess kordub. Mehaanilist tööd teeb mootor ainult töötakti jooksul ja osa sellest kulub esimese, teise ja neljanda takti sooritamiseks. Töötakti ajal tehtud ja ülejäänud taktide sooritamiseks kulutatud töö vahe ongi mootori kasulik töö. $pV$-graafikult näeme, et kasulik töö on arvuliselt võrdne tsükli kinnise viirutatud osa pindalaga. Mootori kasutegur oleks suur, kui gaasi paisumine toimuks kõrgel, aga kokkusurumine madalal temperatuuril. Seda tüüpi mootorite kasutegur on umbes $30\%$. Auto puhul läheb kasulikuks tööks (hõõrdejõudude ületamiseks) ainult $15\%$.

Kuidas töötab diiselmootor

Selleks, et bensiinimootori kasutegur oleks kõrge, peaks küttesegu enne süütamist tugevasti kokku suruma. Sellel kokkusurumisel on aga piir, sest kiiresti kokkusurutud õhu ja bensiini segu kuumeneb ja võib enneaegselt süttida. Diiselmootoris on seda välditud ning silindrisse tõmmatakse ja surutakse kokku vaid õhk (joonisel protsess $1-2$). Alles siis hakatakse silindrisse pihustama diiselkütust, mis kuumas õhus süttib ($2$) ja teeb paisudes tööd ($2-3-4$). Sellises mootoris on kütuse põlemine ühtlasem (kütus ei sütti plahvatusega) ja kasutegur on kõrgema rõhu tõttu parem. Joonisel on toodud diiselmootori tsükkel $pV$-teljestikus.

Põhiline osa maailma elektrienergiast toodetakse soojus- ja tuumaelektrijaamades. Nendes toodab elektrit auruturbiin, mille paneb enamasti käima vee soojendamisest saadud kõrge rõhuga aur. Vett soojendatakse fossiilsete kütuste põletamisega või tuumareaktsioonides eraldunud soojusega. Kiire veeauru juga suunatakse turbiini labadele (joonis 1.34.) ja turbiin hakkab pöörlema. Auruturbiin muudab kuuma auru potentsiaalse energia paisumise töö kaudu pöörleva turbiini kineetiliseks energiaks.

Turbiinis paisunud ja jahtunud auru võidakse kasutada mitmeti. Üks võimalustest on aur veekogust pumbatava veega kondenseerida ja juhtida uuesti aurukatlasse. Kondensaatori (jahuti) temperatuur peab parema kasuteguri saavutamiseks olema võimalikult madal. Seetõttu on vaja $1kg$ auru kondenseerimiseks kuni $100kg$ jahutusvett (umbes $150$ liitrit $1kWh$ elektrienergia kohta). Väljast võetava jahutusvee temperatuur tõuseb kondensaatoris ainult paarikümne kraadi võrra. Selle madalatemperatuurilise, st madalakvaliteedilise energiaga ei ole tavaliselt midagi peale hakata. Kondenseerimisega läheb kaduma umbes $55\%$ energiast ja kasutegur on ligikaudu $40\%$. Teine võimalus on kasutada täielikult või osaliselt läbitöötatud auru hoonete kütmiseks, sooja vee saamiseks ja tehaste tehnoloogilistes protsessides. Nn koostootmisjaamad (joonis 1.35.) annavad nii elektri- kui ka soojusenergiat ja nende kasutegur ulatub $60\%$-ni. Luunja ja Väo koostootmisjaamade elektriline võimsus on umbes $25MW$ ja soojuslik võimsus $50MW$.

Tuumaelektrijaam erineb soojuselektrijaamast selle poolest, et kuum aur saadakse tuumareaktoris toimuvate tuumareaktsioonide arvelt FLA MMF. Tuumajaamas rakendatakse oluliselt karmimaid ohutustehnika meetmeid.

Külmik on soojusmasin, mis võtab mingilt kehalt soojushulga ja annab selle teisele, kõrgema temperatuuriga kehale. Termodünaamika 2. seaduse kohaselt ei toimu selline protsess iseeneslikult, vaid väliste jõudude töö arvelt. Külmiku tsükkel kulgeb seega vastupidiselt sisepõlemismootori ja turbiini omaga.

1.36 Külmiku tööpõhimõte

Kompressor surub gaasi vedelikuks kokku (joonis 1.36.). Vedelik pressitakse läbi väikese ava – düüsi.. Vedelik aurustub, tekkinud gaas paisub ja võtab jahutatavalt kehalt külmakambris soojushulga $Q_2$. Edasi surutakse gaas uuesti kompressoriga kokku, et selle temperatuur ületaks ümbritseva keskkonna temperatuuri. Soojenemine toimub väljaspool kambrit asuvas radiaatoris, kust soojushulk $Q_1$ läheb toaõhku.