የሙቀት ሞተሩን ውጤታማነት እንዴት ማሳደግ እንደሚቻል ለማወቅ ፣ ሳዲ ካርኖት (1796-1832) የተባለ አንድ ፈረንሳዊ ሳይንቲስት በ1824 ተስማሚ የሆነ የቲዎሬቲካል ካሎሪ ማሽን መርምሯል። በዚያን ጊዜ የመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግም ሆነ ሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ አልተቀረጸም። ሳይንቲስቶች ሙቀት ኃይል መሆኑን እስካሁን ስለማያውቁ የመጀመሪያው ሕግ አልተቀረጸም። ጁል እና ባልደረቦቹ በ1830ዎቹ ሙከራ ካደረጉ በኋላ፣ ሳይንቲስቶች ሙቀት በሙቀት ልዩነት ምክንያት የሚንቀሳቀስ ኃይል መሆኑን አግኝተዋል። ስለዚህ የመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ የተቀረጸው ከ1830 በኋላ ነው። ሳዲ ካርኖት በ1824 የቲዎሬቲካል ተስማሚ የካሎሪ ሞተርን ሲያጠና ቆይቷል። ጥናታቸው በእውነቱ የእንፋሎት ሞተሩን ውጤታማነት ለመጨመር ነበር። በዚያን ጊዜ የነበሩት አብዛኛዎቹ የእንፋሎት ሞተሮች ውጤታማ አልነበሩም።
በሳዲ ካርኖት አስተሳሰብ ተስማሚ በሆነው የሙቀት ሞተር ላይ ያለው ዑደት የካርኖት ዑደት ይባላል። የካርኖት ዑደትን ከመማራችን በፊት የማይቀለበስ ሂደቱን እንደገና ተረድተናል። እያንዳንዱ የኃይል ለውጥ እና የኃይል ሽግግር ሂደት በማይቀለበስ ሁኔታ ይከሰታል። ለምሳሌ፣ እጆች እንዲሞቁ እጆችን እናሻሽላለን። ሙቀቱ የሚፈጠረው በምንሰራው ስራ ነው። ሂደቱ የማይቀለበስ ነው። ሙቀቱ እጆችን ማሻሸት አይችልም።
የሙቀት ሞተር ዓላማ ሙቀትን ከፍተኛውን ቅልጥፍና ባለው ሥራ ለማከናወን ጥቅም ላይ ሊውል የሚችልበትን የዚህን ሂደት አንዳንድ መቀልበስ ነው። የሙቀት ሞተሩ ከፍተኛ ቅልጥፍና እንዲኖረው፣ ሁሉንም የማይቀለበሱ ሂደቶችን ማስወገድ አለብን። የሙቀት ዝውውር በተፈጥሮ የማይቀለበስ ስለሆነ የሙቀት እንቅስቃሴ እንዳይከሰት።
ሞተሩ ሙቀቱን (QH) በከፍተኛ ሙቀት (TH) ሲወስድ ፣ በማሽኑ ውስጥ ያለው የሚሰራ ፈሳሽ በTH የሙቀት መጠን መሆን አለበት ። በተመሳሳይ፣ ሞተሩ የQL ሙቀትን በዝቅተኛ የሙቀት መጠን (TL ) ካወጣ ፣ በማሽኑ ውስጥ ያለው የሚሰራ ፈሳሽ በTL የሙቀት መጠን መሆን አለበት ። ስለዚህ፣ የሙቀት ማስተላለፍን የሚያካትት ማንኛውም ሂደት ኢሶተርማል (ተመሳሳይ የሙቀት መጠን) መሆን አለበት። በተቃራኒው፣ በማሽኑ ውስጥ ያለው የስራ ክፍል የሙቀት መጠን በTH እና TL መካከል ከሆነ ፣ በማሽኑ መካከል የTH የሙቀት መጠን (የሙቀት አቅራቢ) እና የTL የሙቀት መጠን (የመፍሰሻ) ባለው ቦታ መካከል ምንም የሙቀት ዝውውር አይከሰትም ። ሙቀቱ ስለማይንቀሳቀስ ፣ ሂደቱ በአዳባታዊ መንገድ መከናወን አለበት።
የካርኖት ዑደት ሁለት የሚቀለበስ የኢሶተርማል ሂደቶችን እና ሁለት የሚቀለበስ የአዲያባቲክ ሂደቶችን ያካትታል።
በጎን በኩል ያለው ምስል ተስማሚ ጋዝ ለማግኘት የፒስተን ካርኖት ዑደት ነው። በመጀመሪያ፣ ሙቀቱ የሚዋጠው በኢሶተርማል መስፋፋት (ab) ወቅት ነው። በኢሶተርማል መስፋፋት ወቅት፣ በሲሊንደሩ ውስጥ ያለው የጋዝ ሙቀት ቋሚ ሆኖ ይቆያል።
ቀጥሎ፣ ጋዙ በአዲያባቲክ መንገድ ስለሚሰፋ የሙቀት መጠኑ ከT H ወደ T L (bc) ይቀንሳል። T H = ከፍተኛ ሙቀት፣ T L = ዝቅተኛ ሙቀት። በአዲያባቲክ መስፋፋት ወቅት፣ ምንም ሙቀት ወደ ሲሊንደር አይገባም ወይም አይወጣም። ከዚያ በኋላ ጋዙ በአዮስቴራሚል ይጫናል (cd)። በኢሶቴራል ግፊት ወቅት የጋዝ ሙቀት ቋሚ ሆኖ ይቆያል። ከዚያም ጋዙ በአዲያባቲክ (da) ይጫናል። በአዲያባቲክ ስለተጨናነቀ የጋዝ ሙቀት ይጨምራል። የጋዝ ሙቀት ይጨምራል ስለዚህ የጋዝ ግፊቱም ይጨምራል። በካርኖት ዑደት ውስጥ ያለው አጠቃላይ ሂደት ሊቀለበስ ይችላል።
በኢሶተርማል መስፋፋት እና በኢሶተርማል ፕሬስ ወቅት የጋዝ ሙቀት ቋሚ ሆኖ ይቆያል። ግቡ ማንኛውንም የሙቀት ልዩነት ማስወገድ ነው። የሙቀት ልዩነት መኖር የሙቀት ዝውውርን (የማይመለስ ሂደት) ሊያስከትል ይችላል። የኢሶተርማል ሂደት እንዲከሰት (የጋዝ ሙቀት ሁልጊዜ ቋሚ ነው) ጋዙ ቀስ በቀስ መዘርጋት ወይም መጫን አለበት። በእውነቱ፣ መስፋፋት ወይም የጋዝ መጨናነቅ በፍጥነት ይከሰታል። ይህ የሚከሰተው በሁከት ምክንያት ነው (ተለዋዋጭ ፈሳሽ ቁሳቁስን ያስታውሱ)፣ ግጭት፣ viscosity፣ ወዘተ። በዚህም ምክንያት ፍጹም የሆነው የኢሶተርማል ሂደት በጭራሽ አይኖርም። በተቃራኒው፣ የአዲያባቲክ መስፋፋት እና መጨናነቅ ፈጣን ናቸው።
ግቡ ሙቀቱ ወደ ሲሊንደር ወይም ከሲሊንደሩ እንዳይፈስ ማድረግ ነው። የግጭት፣ የviscosity፣ ወዘተ መኖር ሙሉ በሙሉ የአዳባቲክ መስፋፋት እና አፅንዖት አያስከትልም። የካርኖት ሞተር ቲዎሪቲ ብቻ መሆኑን ያስታውሱ። የካርኖት ማሽን በሕይወታችን ውስጥ የለም። ምንም እንኳን ቲዎሪቲ ብቻ ቢሆንም፣ የካርኖት ሞተር መኖር የቴርሞዳይናሚክስ ጠቃሚ እድገት ነው። ቢያንስ በሂደቱ ወቅት ሊከሰቱ የሚችሉ የማይቀለበሱ ሂደቶችን ማወቅ እና የሞተር ውጤታማነት ከፍተኛ እንዲሆን ለመቀነስ መሞከር ይቻላል።
የካርኖት ሞተር ጉልህ ውጤት ፍጹም የሆነ የሞተር ሙቀት፣ የተቀበለው ሙቀት (QH ) ከከፍተኛው የሙቀት መጠን (TH) ጋር ተመጣጣኝ ነው ፣ እና የቀለጠው ጭስ ማውጫ (QL ) ከዝቅተኛው የሙቀት መጠን (TL) ጋር ተመጣጣኝ ነው ። ስለዚህ፣ የፍጹም የሙቀት ሞተር ውጤታማነት
ይህ ፍጹም የሙቀት ሞተር ውጤታማነት እኩልታ ነው።
ጥያቄ 1
የእንፋሎት ሞተር ከ500 oC እስከ 300 oC ይሰራል። የእንፋሎት ሞተሩን ተስማሚ ቅልጥፍና (የካርኖት ቅልጥፍና) ይወስኑ።
መፍትሔ
የሙቀት መጠኑ ወደ ኬልቪን ሚዛን መለወጥ አለበት።
TH (ከፍተኛ ሙቀት) = 500 oC = 500 + 273 = 773 K
ቲ ኤል (ዝቅተኛ የሙቀት መጠን) = 300 o ሴ = 300 + 273 = 573 ኪ
ከ500 ዲግሪ ሴልሺየስ እስከ 300 ዲግሪ ሴልሺየስ የሚሠራ ፍጹም የሙቀት ሞተር ውጤታማነት 26% ነው። በዕለት ተዕለት ሕይወታችን የምንጠቀምባቸው ማሽኖች ከ500 ዲግሪ ሴልሺየስ እስከ 300 ዲግሪ ሴልሺየስ ሲሠሩ፣ ማሽኖች ሊያገኙት የሚችሉት ከፍተኛው ብቃት 0.7 እጥፍ የሚበልጥ ተስማሚ ቅልጥፍና (18.2%) ነው።
ጥያቄ 2
የሙቀት ሞተር በ300 ዲግሪ ሴልሺየስ የሙቀት መጠን 600 ጄ ይቀበላል፣ 100 ጁል (W) ያከናውናል እና 500 ጄ በ100 ዲግሪ ሴልሺየስ ያወጣል። የዚህን ማሽን ትክክለኛ ቅልጥፍና እና ተስማሚ ቅልጥፍና (Carnot efficiency) ይወስኑ።
የሙቀት መጠኑ ወደ ኬልቪን ሚዛን መለወጥ አለበት
TH (ከፍተኛ ሙቀት) = 300 oC — 300 + 273 = 573 K
ቲ ኤል (ዝቅተኛ የሙቀት መጠን) = 100 o ሴ — 100 + 273 = 373 ኪ
Q H = 600 J
Q L = 500 J
የሞተር ውጤታማነት፡
የዚህ ማሽን ተስማሚ ቅልጥፍና፡
ከ300 ዲግሪ ሴልሺየስ እስከ 100 ዲግሪ ሴልሺየስ የሚሠራ ፍጹም የሙቀት ሞተር ውጤታማነት 35% ነው። ማሽኑ ሊያገኘው የሚችለው ከፍተኛ ብቃት አብዛኛውን ጊዜ ከተመቻቸ ቅልጥፍና 0.7 እጥፍ ይበልጣል = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J ሙቀት ለስራ ያገለግላል)።
የዚህ ማሽን ትክክለኛ ብቃት 17% ነው (ለስራ የሚውለው 100 J ሙቀት ብቻ ነው)። አሁንም 147 J - 100 J = 47 J ሙቀት አካባቢ ሲሆን ይህም ስራ ለመስራት ሊያገለግል ይችላል።
ጥያቄ 3
አንድ ማሽን 1000 የጁል ካሎሪ ይቀበላል እና በእያንዳንዱ ዑደት 400 የጁል ስራዎችን ያመነጫል። ይህ ማሽን ከ500 oC እስከ 200 oC ባለው ክልል ውስጥ ይሰራል። የዚህን ማሽን ትክክለኛ ቅልጥፍና እና ተስማሚ ቅልጥፍና ያሰሉ።
መፍትሔ
TH (ከፍተኛ ሙቀት) = 500 oC — 500 + 273 = 773 K
ቲ ኤል (ዝቅተኛ የሙቀት መጠን) = 200 o ሴ — 200 + 273 = 473 ኪ
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
የሞተር ውጤታማነት፡
የዚህ ማሽን ተስማሚ ቅልጥፍና፡
የካርኖት ቅልጥፍና = 40%። ትክክለኛው የሞተር ቅልጥፍና = 60%። ይህ ማሽን የለም። የማሽን ቅልጥፍና ከካርኖት ቅልጥፍና በላይ ሊሆን አይችልም።
ጥያቄ 4
የካርኖት ሞተር ውጤታማነት 100% (1) ላይ እንዲደርስ፣ የሚፈለገው የልቀት ሙቀት (T L ) ስንት ነው?
መፍትሔ
ፍጹም የሆነ የሞተር ብቃት 100% እንዲደርስ (ሁሉም ሙቀት ስራ ለመስራት ጥቅም ላይ ሊውል ይችላል)፣ ከዚያ ዝቅተኛ የሙቀት መጠን (T L ) 0 ኬልቪን መሆን አለበት።
የኬልቪን የሙቀት መጠን 0 ላይ መድረስ የማይቻል ነው። ይህ መግለጫ ሦስተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ ነው።
እያንዳንዱ 0 ኬልቪን የማይቻል ስለሆነ ፍጹም የሆነ የሙቀት ሞተር 100% ቅልጥፍና ላይኖረው ይችላል። 100% ቅልጥፍና በሙቀት ሞተር ሊገኝ ስለማይችል፣ ሁሉንም ሙቀት (QH ) ስራ ለመስራት መጠቀም አይቻልም ብሎ መደምደም ይቻላል። የተወሰነ የባክን ሙቀት ( QL ) መኖር አለበት ።
ሁሉንም ሙቀት ወደ ሥራ የሚቀይር የሙቀት ሞተር (በዑደት ውስጥ የሚሰራ) ሊኖር አይችልም (ሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ፣ የኬልቪን-ፕላንክ መግለጫ)።
ይህ ግራፍ በአንድ ደረጃ ብቻ የሚከሰተውን የኢሶተርማል ሂደት (ኢሶተርማል መስፋፋት) ያሳያል። በዚህ ሂደት ውስጥ ሁሉም ሙቀት (Q) ወደ ሥራ (W) ሊለወጥ ይችላል። የተከናወነው የሥራ መጠን = ጥላ ያለበት ቦታ።
የሙቀት ሞተር ያለማቋረጥ መሥራት አለበት (ሂደቱ በተደጋጋሚ መከሰት አለበት፣ በአንድ እርምጃ ብቻ ሊከሰት አይችልም)። ለምሳሌ፣ ተለዋጭ አይነት የእንፋሎት ሞተር። በተለዋጭ የእንፋሎት ሞተር ላይ ያለው ፒስተን ያለማቋረጥ ወደ ቀኝ እና ወደ ግራ መንቀሳቀስ አለበት፣ ስለዚህ ጎማዎቹ ሊሽከረከሩ ይችላሉ (አንድን ነገር ለማንቀሳቀስ ጥቅም ላይ ሊውሉ ይችላሉ)። ፒስተኑ ወደ ቀኝ ሲቆም ጎማዎቹ መሽከርከር አይችሉም (ሂደቱ በአንድ ደረጃ ብቻ ነው የሚከሰተው)። ሂደቱ በተደጋጋሚ ከተከሰተ፣ ሁሉም ሙቀት ወደ ስራ ሊቀየር አይችልም (የኬልቪን-ፕላንክ መግለጫ)።
በግራ በኩል ያለው ግራፍ የኢሶተርማል መስፋፋት (ወደታች ቀስት) እና የኢሶተርማል መጭመቂያ (ወደላይ ቀስት) ያሳያል። ሂደቱ ያለማቋረጥ የሚከናወነው በሶተርማል ነው (ምንም ስራ አልተሰራም)። በቀኝ በኩል ያለው ግራፍ የኢሶተርማል መስፋፋት ሂደት (ወደታች ቀስት)፣ የኢሶባርክ ፕሬሲንግ ሂደት (ወደ ግራ ቀስት) እና የኢሶኦሪክ ሂደት (ወደላይ ቀስት) ነው ። ከእነዚህ ሁለት ግራፎች፣ ለቀጣይ ሂደት ሁልጊዜ የሚባክን ሙቀት እንዳለ ይታያል።
