Termodinamikanın əsasları və onun maşın sistemlərinə tətbiqi
Termodinamika, enerji, istilik və iş arasındakı əlaqələri və onların bir sistemin xüsusiyyətlərinə necə təsir etdiyini öyrənən fizikanın bir qoludur. Mühəndislikdə, xüsusən də maşınqayırmada, termodinamika nəqliyyat vasitələrinin mühərriklərindən və enerji istehsal edən turbinlərdən tutmuş soyutma sistemlərinə və sənaye kompressorlarına qədər geniş çeşiddə maşınların dizaynı, təhlili və optimallaşdırılması üçün vacib bir təməldir. Onun əsaslarını anlamaq mühəndislərə sistemin səmərəliliyini, yanacaq sərfiyyatını, soyutma tələblərini və performans limitlərini proqnozlaşdırmağa kömək edir.
1. Əsas anlayışlar: Sistem, Ətraf mühit və Vəziyyət
Termodinamika ilə bağlı müzakirələr həmişə sistemin və onun ətraf mühitinin tərifləri ilə başlayır. Sistem, kainatın təhlilin mərkəzində olan hissəsidir, ətraf mühit isə sistem xaricindəki hər şeydir. İkisini ayıran sərhəd sistem sərhədi adlanır və bu sərhəd real (məsələn, borunun divarı) və ya xəyali ola bilər.
Termodinamik sistemlər ümumiyyətlə aşağıdakılara təsnif edilir:
1. Qapalı sistem: kütlə sistem sərhədini keçmir, lakin enerji (istilik/iş) keçə bilər. Məsələn, qapalı silindr-porşen sistemi.
2. Açıq sistem: kütlə və enerji sərhədləri keçə bilər. Nümunələrə turbinlər, kompressorlar, qazanlar və kondensatorlar daxildir.
3. Təcrid olunmuş sistem: ətraf mühitlə kütlə və ya enerji mübadiləsi yoxdur (ideal).
Sistemin vəziyyəti təzyiq (P), temperatur (T), həcm (V) və tərkib kimi dəyişənlərlə müəyyən edilir. Bu xüsusiyyətlər aşağıdakılar ola bilər:
– İntensiv xüsusiyyətlər: kütlədən asılı deyil (məsələn, T, P).
– Geniş xüsusiyyətlər: kütlədən asılıdır (məsələn, ümumi enerji, ümumi həcm).
Maşın analizində vəziyyətin müəyyən edilməsi vacibdir, çünki maşının işinə işçi mayenin giriş və çıxış şərtləri, məsələn, turbindəki buxarın temperaturu və təzyiqi və ya buxarlandırıcıdakı soyuducu maddənin temperaturu böyük təsir göstərir.
2. Enerji, İstilik və İş
Termodinamika enerjini müxtəlif formalarda araşdırır. Enerji mübadiləsinin ən çox yayılmış iki forması istilik (Q) və iş (W)-dir.
- İstilik, temperatur fərqləri səbəbindən ötürülən enerjidir.
– İş, yerdəyişmə yolu ilə təsir edən qüvvənin təsiri ilə ötürülən enerjidir (məsələn, turbində val işi və ya kompressorda sıxılma işi).
Bundan əlavə, sistemdə saxlanılan enerji formaları mövcuddur, məsələn:
– Daxili enerji (U) molekulların mikroskopik enerjisi ilə əlaqəlidir.
– Kinetik enerji (KE) və potensial enerji (PE), xüsusilə sürətli axın sistemlərində və ya hündürlük fərqlərində vacibdir.
Turbin kimi maşın sistemində maye enerjisi (entalpiya) azaldılır və val işinə çevrilir. Kompressorda isə əksi baş verir: val işi maye enerjisini artırmaq üçün istifadə olunur.
3. Termodinamikanın Sıfır Qanunu: Temperaturun Ölçülməsinin Əsası
Zerot qanununda deyilir: əgər A sistemi B ilə istilik tarazlığında, B isə C ilə istilik tarazlığındadırsa, onda A sistemi C ilə istilik tarazlığındadır. Bu qanun temperatur anlayışının əsasını təşkil edir və termometrlərin istifadəsini mümkün edir.
Mühərrikdə temperatur bir çox şeyi müəyyən edir: yanma keyfiyyəti, material məhdudiyyətləri, səmərəlilik, istilik ötürmə sürəti və hətta yağlama sabitliyi.
4. Termodinamikanın Birinci Qanunu: Enerjinin Qorunması
Termodinamikanın Birinci Qanununda deyilir ki, enerji nə yaradıla, nə də məhv edilə bilər; o, yalnız formasını dəyişə bilər. Qapalı sistem üçün daxili enerjidəki dəyişiklik sadəcə olaraq aşağıdakı kimi yazıla bilər:
\[
\Delta U = Q – W
\]
Yəni, daxili enerji istilik qəbul edərsə və ya sistem üzərində iş görülərsə artır.
Turbinlər və ya kompressorlar kimi açıq sistemlər (idarəetmə həcmləri) üçün entalpiya (h) və kinetik və potensial enerjidəki dəyişiklikləri əhatə edən axın enerjisi balansı istifadə olunur. Konseptual olaraq, enerji girişi (kütlə axını, istilik və iş vasitəsilə) enerji çıxışı və saxlanılan enerjidəki dəyişikliklərlə balanslaşdırılmalıdır.
Maşınlara tətbiq:
– Daxili yanma mühərriki: yanacağın kimyəvi enerjisi → yanma istiliyi → hissə mexaniki işə çevrilir, qalan hissəsi işlənmiş qazlar və soyutma yolu ilə itirilir.
– Qazan: yanmadan yaranan istilik → suyun entalpiyasını təzyiqli buxara çevrilənə qədər artırır.
– Kondensator: buxarı mayeyə çevirmək üçün ətraf mühitə istilik ötürür.
Birinci Qanunla mühəndislər yanacaq tələbatını, qazan tutumunu, turbin gücünü və ya radiator soyutma tələbatlarını hesablaya bilərlər.
5. Termodinamikanın İkinci Qanunu: Prosesin İstiqaməti və Entropiya
Birinci Qanun bir prosesin niyə təbii istiqamətə malik olduğunu izah etmir (məsələn, istilik həmişə istidən soyuğa axır). Termodinamikanın İkinci Qanunu burada işə düşür. Ümumiyyətlə, İkinci Qanunda deyilir ki:
– Başqa təsirlər olmadan bütün istiliyi işə çevirən istilik mühərriki qurmaq mümkün deyil.
– İstilik iş olmadan soyuq bir cisimdən isti bir cismə öz-özünə axmayacaq.
İkinci Qanunda vacib bir anlayış entropiyadır (S), enerjinin dispersiya sürətinin və ya nizamsızlığının ölçüsüdür. Real proseslərdə ümumi entropiya (sistem + ətraf mühit) artmağa meyllidir:
\[
\Delta S_{cəmi} \ge 0
\]
Mühərrik sistemlərinə təsirləri:
– Sürtünmə, turbulentlik, böyük temperatur fərqləri ilə istilik ötürülməsi və dondurma prosesləri kimi itkilər (dönməzlik) həmişə mövcuddur.
– Mühərrikin səmərəliliyinin nəzəri hədləri var, məsələn, ideal istilik mühərrikinin (Carnot) maksimum səmərəliliyi isti və soyuq mənbənin temperaturundan asılıdır.
Maşın dizaynında İkinci Qanun dönməzliyi azaltmaq üçün səyləri təşviq edir: maye axınını hamarlaşdırmaq, istilik izolyasiyasının keyfiyyətini yaxşılaşdırmaq, təzyiq itkilərini minimuma endirmək və istilik ötürmə proseslərini optimallaşdırmaq.
6. Maddələrin xüsusiyyətləri və entalpiyanın rolu
Bir çox maşın sistemində hava, buxar, yanma qazları və ya soyuducu maddələr kimi işçi mayelərdən istifadə olunur. Axın sistemlərinin təhlilini asanlaşdırmaq üçün entalpiya (h) istifadə olunur və bu aşağıdakı kimi müəyyən edilir:
\[
h = u + Pv
\]
Entalpiya turbinlər, kompressorlar, burunlar, qazanlar və istilik dəyişdiriciləri kimi cihazlarda çox faydalıdır, çünki axındakı enerji dəyişikliklərini hesablamağı asanlaşdırır.
Məsələn, buxar (Rankin) dövründə müxtəlif nöqtələrdəki (qazan çıxışı, turbin çıxışı, kondensator çıxışı, nasos çıxışı) entalpiya məlumatları aşağıdakıları hesablamaq üçün istifadə olunur:
– turbin işləri,
– nasos işi,
– istilik qazana daxil olur,
– kondensator tullantı istiliyi,
– dövri istilik səmərəliliyi.
7. Mühərrik Sistemində Termodinamik Dövr
Real maşınlar çox vaxt dövrlər, yəni ilkin vəziyyətə qayıdan bir sıra proseslər kimi təhlil edilir. Maşınqayırmada vacib dövrlərə aşağıdakılar daxildir:
a. Otto dövrü (benzin mühərriki)
Sabit həcmdə yanmanı təsvir edir. Səmərəliliyə sıxılma nisbəti təsir göstərir. Daha yüksək sıxılma nisbətləri səmərəliliyi artırır, lakin döymə və material möhkəmliyi ilə məhdudlaşır.
b. Dizel dövrü (dizel mühərriki)
Yanma demək olar ki, sabit təzyiqdə baş verir. Dizel mühərrikləri ümumiyyətlə daha yüksək sıxılma nisbətlərinə malikdir ki, bu da daha yaxşı səmərəliliyə və daha yüksək fırlanma momentinə səbəb olur.
c. Brayton dövrü (qaz turbinası)
Reaktiv mühərriklərdə və qaz turbinli elektrik stansiyalarında istifadə olunur. Əsas komponentlər: kompressor, yanma kamerası və turbindir. Səmərəlilik turbin giriş təzyiqi və temperaturunun nisbəti ilə artır və bu da istiliyədavamlı materialları və turbin bıçağının soyutma sistemini vacib edir.
d. Rankin dövrü (buxar generatoru)
Kömürlə işləyən elektrik stansiyalarında və buxar turbin sistemlərində istifadə olunur. Dövrün performansı həddindən artıq qızdırma, təkrar qızdırma və regenerativ qidalandırıcı suyun qızdırılması ilə yaxşılaşdırılır.
e. Buxar Kompressiyası Soyutma Dövrü
Kondisionerlərdə və soyuducularda istifadə olunur. Əsas komponentlər: kompressor, kondensator, genişləndirici klapan, buxarlandırıcı. Performans əmsalı (COP) buxarlandırıcı və kondensator arasındakı temperatur fərqindən və kompressorun səmərəliliyindən təsirlənən əsas parametrdir.
8. Maşın Dizaynında və Optimallaşdırmasında Termodinamikanın Tətbiqi
Praktikada termodinamika təkbaşına mövcud deyil; o, istilik ötürülməsi, maye mexanikası, materiallar və idarəetmə ilə bağlıdır. Ümumi tətbiqlərə aşağıdakılar daxildir:
– Enerji auditi: enerjinin haradan daxil olduğunu və haradan itdiyini hesablayın, sonra səmərəlilik imkanlarını axtarın.
– İş şəraitinin seçilməsi: qazanda, kompressorda və ya turbində optimal təzyiq və temperaturun müəyyən edilməsi.
– İstilik dəyişdiricisinin dizaynı: həddindən artıq təzyiq itkisi olmadan kifayət qədər istilik ötürülməsini təmin edir.
– Emissiya nəzarəti: daha səmərəli yanma yanacaq sərfiyyatını və CO₂ emissiyalarını azaldır; temperatur nəzarəti həmçinin NOx-ə təsir göstərir.
– Soyutma idarəetməsi: mühərrik komponentlərinin təhlükəsiz temperaturunu saxlayır və istismar müddətini uzadır.
Nəticə
Termodinamikanın əsasları — sistemlər və hallar anlayışlarından, Sıfır Qanunundan İkinci Qanuna, maddə və dövrlərin xüsusiyyətlərindən tutmuş maşınların necə işlədiyini və onların fəaliyyətinin limitlərini anlamaq üçün əsas çərçivəni təmin edir. Birinci Qanun enerji balanslarının qurulmasına və iş və istiliyin hesablanmasına kömək edir, İkinci Qanun isə proseslərin istiqamətini və səmərəliliyi məhdudlaşdıran itki mənbələrini izah edir. Bu anlayışla mühəndislər müxtəlif sənaye və nəqliyyat sektorlarında enerji sistemlərinin işini optimallaşdırarkən daha səmərəli, etibarlı və ekoloji cəhətdən təmiz maşınlar dizayn edə bilərlər.
