የካርኖት ሞተር ዑደት

ስለ ካርኖት ሞተር ዑደት ጽሑፍ

የሙቀት ሞተርን ውጤታማነት እንዴት ማሳደግ እንደሚቻል ለማወቅ፣ ሳዲ ካርኖት (1796-1832) የተባለ አንድ ፈረንሳዊ ሳይንቲስት በ1824 ተስማሚ የሙቀት ሞተርን በንድፈ ሀሳብ አጥንቷል። በዚያን ጊዜ የመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግም ሆነ ሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ አልተቀረጸም። የመጀመሪያው ሕግ አልተቀረጸም ምክንያቱም ሳይንቲስቶች ሙቀት ኃይል መሆኑን እስካሁን ስላላወቁ ነበር። ጁል እና ጓደኞቹ በ1830ዎቹ ሙከራዎችን ካደረጉ በኋላ፣ ሳይንቲስቶች ሙቀት በሙቀት ልዩነት ምክንያት የሚተላለፍ ኃይል መሆኑን በእርግጠኝነት ያውቁ ነበር። ስለዚህ የመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ የተቀረጸው ከ1830 በኋላ ነው። ሳዲ ካርኖት በ1824 ተስማሚ የሙቀት ሞተርን በንድፈ ሀሳብ አጥንቷል። ያደረገው ምርምር በወቅቱ ጥቅም ላይ የዋሉ የእንፋሎት ሞተሮችን ውጤታማነት ለማሳደግ ነበር። በዚያን ጊዜ የነበሩት አብዛኛዎቹ የእንፋሎት ሞተሮች ውጤታማ አልነበሩም።

በሳዲ ካርኖት በተሰራ ተስማሚ የሙቀት ሞተር ውስጥ ያለው ዑደት የካርኖት ዑደት ይባላል። የካርኖት ዑደትን ከመገምገምዎ በፊት የማይቀለበስ ሂደቶችን መረዳት ጠቃሚ ነው። እያንዳንዱ በተፈጥሮ የሚከሰት የኃይል ለውጥ እና ዝውውር ሂደት ብዙውን ጊዜ የማይቀለበስ ነው። ለምሳሌ፣ እጆቻችንን አንድ ላይ ካሻሽናቸው ሞቃት ይሰማቸዋል። በዚህ ሁኔታ፣ ሙቀት የሚመነጨው በምንሰራው ስራ ነው። ሂደቱ የማይቀለበስ ነው። የሚመነጨው ሙቀት እጆቻችንን በማሻሸት ስራውን በራሱ ማከናወን አይችልም። የሙቀት ሞተር ግብ ይህንን ሂደት በከፊል መቀልበስ ነው፣ እዚያም ሙቀቱ በተቻለ መጠን ቅልጥፍና ያለው ስራን ለማከናወን ሊያገለግል ይችላል። የሙቀት ሞተር ከፍተኛ ቅልጥፍናን ለማግኘት ሁሉንም የማይቀለበስ ሂደቶችን ማስወገድ አለብን። በተፈጥሮ የሚከሰት የሙቀት ሽግግር ብዙውን ጊዜ የማይቀለበስ ነው፣ ስለዚህ የሙቀት ሽግግርን ለመከላከል ጥረቶች ይደረጋሉ።

ሞተሩ Q ን ሲቀበል_H ከፍተኛ የሙቀት መጠን ባለባቸው ቦታዎች (ቲ)_H) በማሽኑ ውስጥ ያለው የሚሰራ ንጥረ ነገር በሙቀት T ውስጥ መሆን አለበት_Hበተመሳሳይ፣ ሞተሩ የሙቀት Q ን ካስወገደ_L ዝቅተኛ የሙቀት መጠን ባለባቸው ቦታዎች (ቲ)_L) በማሽኑ ውስጥ ያለው የሚሰራ ንጥረ ነገር በሙቀት T ውስጥ መሆን አለበት_Lስለዚህ የሙቀት ማስተላለፍን የሚያካትት እያንዳንዱ ሂደት ኢሶተርማል (ተመሳሳይ የሙቀት መጠን) መሆን አለበት። በተቃራኒው፣ በሞተሩ ውስጥ ያለው የሚሰራው ንጥረ ነገር የሙቀት መጠን በቲ መካከል ከሆነ_H እና ቲ_Lበማሽኑ እና የሙቀት መጠን T ባለው ቦታ መካከል የሙቀት ዝውውር መኖር የለበትም_H (የሙቀት አቅራቢ) እና የሙቀት መጠን T ያለው ቦታ_L (ማስወገድ)። ሙቀቱ እንዳይወጣ፣ ሂደቱ በአዳያባቲክ መንገድ መከናወን አለበት።

የካርኖት ዑደት በእውነቱ ሁለት ሊቀለበስ የሚችል የኢሶተርማል ሂደቶችን እና ሁለት ሊቀለበስ የሚችል የአዲያባቲክ ሂደቶችን ያካትታል።

በቀኝ በኩል ያለው ምስል ተስማሚ የሆነ ጋዝ ለማግኘት የካርኖት ዑደትን ያሳያል። መጀመሪያ ላይ፣ ሙቀት የሚወሰደው በኢሶተርማል መስፋፋት (a-b) 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 (b-c) ይቀንሳል። T _H = ከፍተኛ ሙቀት (ከፍተኛ ሙቀት)፣ T _L = ዝቅተኛ ሙቀት (ዝቅተኛ ሙቀት)። በአዲያባቲክ መስፋፋት ወቅት፣ ምንም ሙቀት ወደ ሲሊንደር አይገባም ወይም አይወጣም። ከዚያ በኋላ ጋዙ በኢሶተርማል (c-d) ይጨመቃል። በኢሶተርማል መጭመቂያ ወቅት የጋዝ ሙቀቱ ቋሚ ሆኖ ይቆያል። በመቀጠል፣ ጋዙ በአዲያባቲክ (d-a) ይጨመቃል። በአዲያባቲክ ስለተጨመቀ የጋዝ ሙቀቱ ይጨምራል። የጋዝ ሙቀቱ ይጨምራል ስለዚህ የጋዝ ግፊቱም ይጨምራል። በካርኖት ዑደት ውስጥ ያሉ ሁሉም ሂደቶች ሊቀለበሱ ይችላሉ።

በኢሶተርማል መስፋፋትና መጭመቂያ ወቅት የጋዝ ሙቀት ቋሚ ሆኖ ይቆያል። ግቡ የሙቀት ልዩነቶችን ማስወገድ ነው። የሙቀት ልዩነቶች የሙቀት ዝውውርን ሊያስከትሉ ይችላሉ (የማይቀለበስ ሂደት)። የኢሶተርማል ሂደት እንዲከሰት (የጋዝ የሙቀት መጠኑን ቋሚ አድርጎ ማቆየት)፣ ጋዙ ቀስ ብሎ መዘርጋት ወይም መጭመቅ አለበት። እንደ እውነቱ ከሆነ የጋዝ መስፋፋት ወይም መጭመቅ በፍጥነት ይከሰታል። ይህ የሚከሰተው በሁከት ምክንያት ነው (የፈሳሽ ተለዋዋጭነት ርዕስን ያስታውሱ)፣ ግጭት፣ viscosity፣ ወዘተ። በዚህም ምክንያት ፍጹም የሆነ የኢሶተርማል ሂደት በፍፁም አይኖርም። በምትኩ፣ የአዲያባቲክ መስፋፋት እና መጭመቅ በፍጥነት ይከሰታሉ።

ግቡ ሙቀት ወደ ሲሊንደሩ እንዳይፈስ ወይም እንዳይወጣ መከላከል ነው። ፍሪኬሽን፣ viscosity እና ሌሎች ምክንያቶች ፍጹም የሆነ የአዲያባቲክ መስፋፋትን እና መጭመቅን ይከላከላሉ። የካርኖት ሞተር ሙሉ በሙሉ ቲዎሪቲካል መሆኑን ልብ ማለት ያስፈልጋል፤ በዕለት ተዕለት ሕይወታችን ውስጥ የለም። ምንም እንኳን ቲዎሪቲካል ቢሆንም፣ የካርኖት ሞተር ለቴርሞዳይናሚክስ እድገት ከፍተኛ አስተዋጽኦ ያደርጋል። ቢያንስ በሂደቱ ወቅት ሊከሰቱ የሚችሉ የማይቀለበሱ ሂደቶችን ለይተን ለመቀነስ መሞከር እንችላለን፣ በዚህም የተነደፈውን የሙቀት ሞተራችንን ውጤታማነት ከፍ እናደርጋለን።

የካርኖት ሞተር በጣም አስፈላጊ ውጤት ፍጹም ለሆነ የሙቀት ሞተር የሚቀበለው ሙቀት (QH ₎ ከሙቀት TH ጋር ተመጣጣኝ _ሲሆን የተወገደው ሙቀት (QL ₎ ከሙቀት TL ጋር ተመጣጣኝ ነው _። ስለዚህ፣ የፍጹም የሙቀት ሞተር ውጤታማነት

ምሳሌ ጥያቄ 1፡

የእንፋሎት ሞተር ከ500 oC እስከ 300 oC ባለው የሙቀት መጠን ይሰራል። ^{የእንፋሎት} ሞተሩን ^ተስማሚ ብቃት (የካርኖት ውጤታማነት) ይወስኑ።

ውይይት

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

^{በ500 oC} እና 300 ^oC መካከል የሚሰራ ፍጹም የሙቀት ሞተር ተስማሚ ቅልጥፍና ወይም ቅልጥፍና 26% ነው። በዕለት ተዕለት ሕይወት የምንጠቀምበት ሞተር ከ500 oC እስከ 300 oC መካከል የሚሰራ ከሆነ ^፣ ሞተሩ ^{ሊያገኘው} የሚችለው ከፍተኛ ቅልጥፍና አብዛኛውን ጊዜ ከተመቻቸ ቅልጥፍና (18,2%) 0,7 እጥፍ ያህል ነው።

ምሳሌ ጥያቄ 2፡

^{የሙቀት ሞተር በ300 oC} የሙቀት መጠን 600 ጁል (Q) ይቀበላል ፣ 100 ጁል (W) ይሰራል እና በ100 oC የሙቀት መጠን 500 J ውድቅ ያደርጋል። ^የዚህን ሞተር ትክክለኛ ቅልጥፍና እና ተስማሚ ቅልጥፍና (Carnot efficiency) ይወስኑ...

ውይይት

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፡

^{ከ300 oC} እስከ 100 ^oC መካከል የሚሰራ ፍጹም የሙቀት ሞተር ተስማሚ ቅልጥፍና ወይም ቅልጥፍና 35% ነው። ሞተሩ ሊያገኘው የሚችለው ከፍተኛ ቅልጥፍና አብዛኛውን ጊዜ ከተመቻቸ ቅልጥፍና 0,7 እጥፍ ያህል ነው = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J ለስራ ሊያገለግል የሚችል ሙቀት)።

የዚህ ሞተር ትክክለኛ ቅልጥፍና 17% ነው (ለስራ የሚውለው 100 J ሙቀት ብቻ ነው)። አሁንም ለስራ የሚውለው 147 J - 100 J = 47 J ሙቀት አለ። የምናጋጥመንን ኪሳራ ለመቀነስ የዚህ ሞተር ቅልጥፍና ቢጨምር ጥሩ ነበር።

ምሳሌ ጥያቄ 3፡

አንድ ማሽን 1000 ጁል ሙቀትን ይቀበላል እና በእያንዳንዱ ዑደት 400 ጁል ስራዎችን ያመነጫል። ይህ ማሽን ከ500 oC እስከ 200 oC ባለው ክልል ውስጥ ይሰራል። ^የዚህ ማሽን ^{ትክክለኛ} ቅልጥፍና እና ተስማሚ ቅልጥፍና ምንድነው?

ውይይት

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 ውጤታማነት የሚከተለው ነው-

ተስማሚ ቅልጥፍና፣ ካርኖት ቅልጥፍና በመባልም የሚታወቀው፣ 40% ነው። ትክክለኛው የሞተር ቅልጥፍና 60% ነው። እንዲህ ዓይነቱ ሞተር የለም። የሞተር ቅልጥፍና ከካርኖት ቅልጥፍና በላይ መሆን አይቻልም።

ምሳሌ ጥያቄ 4፡

የካርኖት ሞተር ቅልጥፍና 100% (1) ላይ እንዲደርስ፣ የጭስ ማውጫው የሙቀት መጠን (TL ₎ ምን ያህል ያስፈልጋል?

ውይይት

ፍጹም የሆነ የሙቀት ሞተር ውጤታማነት 100% እንዲደርስ (ሁሉም የግብዓት ሙቀት ስራ ለመስራት ጥቅም ላይ ሊውል ይችላል)፣ የጭስ ማውጫው የሙቀት መጠን (TL ₎ = 0 ኬልቪን መሆን አለበት።

ኬልቪን የሙቀት መጠን 0 መድረስ የማይቻል ነው። ይህ አባባል ሦስተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ ነው።

0 ኬልቪን ማግኘት የማይቻል ስለሆነ፣ ፍጹም የሆነ የሙቀት ሞተር 100% ቅልጥፍና ሊኖረው አይችልም። ፍጹም የሆነ የሙቀት ሞተር እንኳን 100% ቅልጥፍና ሊኖረው አይችልም፣ በዕለት ተዕለት ሕይወት ውስጥ የምንጠቀምባቸውን የሙቀት ሞተሮች ይቅርና።

_{በሙቀት ሞተር 100% ቅልጥፍና ማግኘት ስለማይቻል፣ ሁሉም የግብዓት ሙቀት ( QH} ) ስራ ለመስራት ጥቅም ላይ መዋል እንደማይቻል መደምደም እንችላለን ። የተወሰነ ሙቀት መጥፋት አለበት (QL ₎ ።

የሙቀት ሞተር (በዑደት ውስጥ የሚሰራ) ሁሉንም ሙቀት ወደ ሥራ ለመቀየር የማይቻል ነው (ሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ - የኬልቪን-ፕላንክ መግለጫ)።

ከላይ ያለው ደማቅ ፊደል የተጻፈበት ጽሑፍ የሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ ልዩ መግለጫ ነው። ልዩ መግለጫ ተብሎ የሚጠራው ለሙቀት ሞተሮች ብቻ ስለሚተገበር ነው። ኬልቪን እና ፕላንክ ስለቀየሱት የኬልቪን-ፕላንክ መግለጫም ይባላል። ከላይ ባለው መግለጫ ውስጥ "ዑደት" የሚለውን ቃል መኖሩን ልብ ይበሉ። ዑደት በተደጋጋሚ የሚከሰት ሂደት ነው። ስለዚህ የሙቀት ሞተር ያለማቋረጥ ይሰራል። "ዑደት" የሚለው ቃል የተጨመረው በእውነቱ ሂደቱ አንድ ጊዜ ብቻ ከተከሰተ ሁሉም ሙቀት ወደ ሥራ ሊለወጥ ስለሚችል ነው።

በመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ ውስጥ፣ በርካታ የቴርሞዳይናሚክስ ሂደቶች ተብራርተዋል፣ እነሱም ኢሶተርማል፣ ኢሶባሪክ፣ ኢሶቾሪክ እና አዲአባቲክ ሂደቶች ናቸው። በኢሶተርማል ሂደት ውስጥ፣ ሁሉም ሙቀት ወደ ሥራ ሊለወጥ ይችላል (Q = W)። ይህ ሂደቱ በአንድ ደረጃ ብቻ ከተከሰተ ሊከሰት ይችላል። ከታች ያለውን ምስል ይመልከቱ፡

ይህ ግራፍ በአንድ እርምጃ የሚከናወን የኢሶተርማል ሂደት (ኢሶተርማል መስፋፋት) ያሳያል። በዚህ ሂደት ውስጥ ሁሉም ሙቀት (Q) ወደ ሥራ (W) ይቀየራል። የተከናወነው የሥራ መጠን = የተደበቀው ቦታ።

ጠቃሚ ለመሆን የሙቀት ሞተር ያለማቋረጥ መሥራት አለበት (ሂደቱ በአንድ ደረጃ ብቻ ሳይሆን በተደጋጋሚ መከሰት አለበት)። ለምሳሌ፣ የሚለዋወጥ የእንፋሎት ሞተር። በሚመለስ የእንፋሎት ሞተር ውስጥ ያለው ፒስተን መንኮራኩሩ እንዲሽከረከር ወደ ቀኝ እና ወደ ግራ ያለማቋረጥ መንቀሳቀስ አለበት (አንድን ነገር ለማንቀሳቀስ ሊያገለግል ይችላል)። ፒስተኑ ወደ ቀኝ ብቻ ከተንቀሳቀሰ መንኮራኩሩ መሽከርከር አይችልም፣ ከዚያ በኋላ ይቆማል (ሂደቱ በአንድ ደረጃ ብቻ ነው የሚከሰተው)። ሂደቱ በተደጋጋሚ ከተከሰተ (ፒስተኑ ያለማቋረጥ ወደ ቀኝ እና ወደ ግራ ይንቀሳቀሳል)፣ ሁሉም ሙቀት ወደ ሥራ ሊቀየር አይችልም (የኬልቪን-ፕላንክ መግለጫ)። ለምሳሌ፣ ከላይ ባለው ግራፍ ላይ የሚታየውን የኢሶተርማል ሂደት እንመልከት።

በግራ በኩል ያለው ግራፍ የኢሶተርማል መስፋፋት (ወደታች ቀስት) እና የኢሶተርማል መጭመቂያ (ወደላይ ቀስት) ያሳያል። ሂደቱ ያለማቋረጥ በኢሶተርማል ይከሰታል (ምንም ስራ አልተሰራም)። በቀኝ በኩል ያለው ግራፍ የኢሶተርማል መስፋፋት (ወደታች ቀስት)፣ የኢሶባርክ መጭመቂያ (የግራ ቀስት) እና የኢሶቾሪክ ሂደት (ወደላይ ቀስት) ያሳያል። ከእነዚህ ሁለት ግራፎች፣ ያለማቋረጥ ለሚከሰቱ ሂደቶች (ዑደት) ሁልጊዜ የሙቀት መጥፋት እንዳለ ግልጽ ነው። ይህ ከቀድሞው የኬልቪን-ፕላንክ መግለጫ ጋር የሚስማማ ነው።