Ka Nānā Kinoea Kūpono i nā ʻōnaehana mīkini Thermal
Pendahuluan
ʻO ka ʻenekini wela kahi mea hana e hoʻololi i ka ikehu wela i ka hana mīkini. ʻO nā hiʻohiʻona maʻamau ka ʻenekini kuni kūloko i loko o nā kaʻa, nā turbine mahu i loko o nā mea kanu mana, a me nā ʻenekini hoʻomaʻalili (e hana ana ma ke kua, e hoʻoili ana i ka wela me ka hoʻohana ʻana i ka hana). No ka hoʻomaopopo ʻana i ke ʻano o ka hana ʻana o kēia mau ʻenekini ma ke ʻano manaʻo a me ka nui, ua hoʻolauna ka physics i ke kumu hoʻohālike kinoea kūpono—kahi ala e hoʻomaʻalahi ai i ke ʻano o nā kinoea i hiki ai ke kālailai ʻia nā pilina ma waena o ke kaomi, ka nui, a me ka mahana ma ke ʻano makemakika. ʻOiai ʻaʻole kūpono mau nā kinoea maoli, he mea pono loa kēia kumu hoʻohālike ma ke ʻano he kumu no ka hoʻomaopopo ʻana i nā pōʻaiapuni thermodynamic, ka pono, a me nā loli ikehu i nā ʻōnaehana ʻenekini wela.
Manaʻo Kinoea Kūpono
ʻO ke kinoea kūpono he kinoea nona nā ʻāpana i manaʻo ʻia he: (1) liʻiliʻi loa i ka hoʻohālikelike ʻia me ka nui o ka ipu, (2) ʻaʻole e launa pū kekahi me kekahi koe wale nō i ka wā o nā collision elastic, a (3) e hahai i nā pilina maʻalahi ma waena o nā loli macroscopic. Ua hōʻuluʻulu ʻia kāna ʻano ma ka hoʻohālikelike kinoea kūpono o ke kūlana:
\[
PV = nRT
\]
me ke kaomi \(P\), ka nui \(V\), ka helu \(n\) o nā mole, \(R\) ke kūpaʻa kinoea honua, a me \(T\) ka mahana paʻa (Kelvin). ʻO kēia kaulike ke kumu komo no ka nānā ʻana i nā kaʻina hana thermodynamic like ʻole e like me ka hoʻonui ʻana, ka hoʻopili ʻana, ka hoʻomehana ʻana, a me ka hoʻoluʻu ʻana e hana ʻia ana i nā ʻenekini thermal.
I loko o kahi ʻenekini wela, loaʻa i kahi kinoea (a i ʻole ka wai hana) nā loli pinepine o ke kūlana i loko o kahi pōʻaiapuni. I ka wā o ke pōʻaiapuni, hoʻopili ka ʻōnaehana i ka wela mai ke kumu wela, hana, a hōʻole i kekahi o ka wela i nā mea a puni a i ʻole kahi waihona mahana haʻahaʻa. ʻAe ke kumu hoʻohālike kinoea kūpono iā mākou e hoʻopili i kēia mau loli o ke kūlana i nā nui ikehu: wela \(Q\), hana \(W\), a me ka loli o ka ikehu kūloko \(\Delta U\).
ʻO ke kānāwai mua o Thermodynamics a me ka ikehu kūloko
ʻO ke kumu o ka loiloi ʻenekini wela ʻo ke Kānāwai Mua o Thermodynamics:
\[
ʻO ka Delta U = Q – W
\]
kahi ʻo \(\Delta U\) ka loli o ka ikehu i loko o ke kinoea, \(Q\) ka wela e komo ana i loko o ka ʻōnaehana, a me \(W\) ka hana i hana ʻia e ka ʻōnaehana ma ke kaiapuni. I loko o hoʻokahi pōʻaiapuni piha o kahi ʻenekini wela, ua like nā kūlana mua a me ka hope loa i hiki ai iā \(\Delta U = 0\). ʻO ke ʻano kēia, ua like ka huina wela i loaʻa me ka hana i hana ʻia:
\[
W_{\text{net}} = Q_{\text{in}} – Q_{\text{out}}
\]
No ke kinoea kūpono, hilinaʻi wale ka ikehu kūloko i ka mahana. No ke kinoea kūpono monatomic, no ka laʻana:
\[
U = \frac{3}{2}nRT
\]
No nā kinoea diatomic ma luna o kahi pae mahana kikoʻī, ʻokoʻa nā coefficients no ka mea he nui ko lākou mau kekelē o ke kūʻokoʻa. He mea nui kēia pilina no ka mea he nui nā kaʻina hana mīkini thermal e pili ana i nā loli mahana, a mai kēia, hiki iā mākou ke kuhi i ka loli o ka ikehu kūloko.
Nā Kaʻina Hana Thermodynamic Nui i nā Kinoea Kūpono
ʻO ka maʻamau, ua hana ʻia kahi pōʻaiapuni mīkini wela me kekahi mau kaʻina hana kūpono. ʻO nā kaʻina hana ʻehā i hoʻohana pinepine ʻia i ka nānā ʻana:
1. Isothermal (T mau)
I loko o ke kaʻina hana isothermal o kahi kinoea kūpono, ʻaʻole loli ka ikehu kūloko (\(\Delta U = 0\)) no ka mea e mau ana ka mahana. No laila \(Q = W\). Hana Isothermal no kahi kinoea kūpono:
\[
W = nRT \ln \left(\frac{V_2}{V_1}\right)
\]
He mea nui kēia kaʻina hana i ke kūkākūkā ʻana o ke kaʻina hana Carnot no ka mea hāʻawi ia i ka pono kūpono loa.
2. Isobaric (P mau)
I loko o ke kaʻina hana kaomi mau, maʻalahi ka helu ʻana i ka hana:
\[
W = P(V_2 – V_1)
\]
Hoʻololi hapa ʻia ka wela e hiki mai ana i ka hana a hoʻonui hapa i ka ikehu kūloko.
3. Isochoric (V mau)
No ka mea, ua paʻa ka leo, ʻaʻohe hana:
\[
W=0
\]
No laila, ʻo ka wela e komo ana i loko o nā mea a pau e hoʻonui ai i ka ikehu o loko:
\[
Q = \Delta U
\]
4. Adiabatic (Q = 0)
ʻAʻohe hoʻololi wela me ke kaiapuni. Inā hoʻonui ʻia kahi kinoea adiabatically, hana ke kinoea a hāʻule ka mahana. ʻO ka pilina adiabatic maʻamau no kahi kinoea kūpono:
\[
PV^\gamma = \text{mau}
\]
me \(\gamma = \frac{C_p}{C_v}\). He mea nui loa nā kaʻina hana adiabatic i nā pōʻaiapuni Otto a me Diesel e hoʻohālike ana i nā kaʻina hana compression a me ka hoʻonui wikiwiki.
Kiʻikuhi P–V a me ke ʻano o ka ʻāpana o kahi pōʻaiapuni
Hoʻike pinepine ʻia ka loiloi ʻenekini wela ma o kahi kiʻikuhi kaomi-leo (P-V). Ma kēia kiʻikuhi, ua hōʻike ʻia kēlā me kēia kaʻina hana ma ke ʻano he piʻo. He mea koʻikoʻi: ʻo ka hana ʻupena i hana ʻia i hoʻokahi pōʻaiapuni ua like ia me ka ʻāpana i hoʻopuni ʻia e ka piʻo pōʻaiapuni ma ka kiʻikuhi P-V. ʻO ka nui o ka ʻāpana, ʻo ka nui o ka hana ʻupena i hana ʻia i kēlā me kēia pōʻaiapuni.
Inā holo ka pōʻaiapuni i ka ʻaoʻao ʻākau, hana ka ʻenekini i ka hana ʻupena (ʻenekini wela). Inā holo ia ma ka ʻaoʻao ʻākau, pono ka ʻōnaehana i ka hana o waho (pahu hau a i ʻole ka pamu wela).
Ka Pono o ka ʻenekini Thermal a me ke Kuleana o nā Kinoea Kūpono
Ua ana ʻia ka hana o kahi ʻenekini wela e kona pono wela:
\[
\eta = \frac{W_{\text{net}}}{Q_{\text{in}}} = 1 – \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}
\]
Kōkua ke kumu hoʻohālike kinoea kūpono i ka helu ʻana iā \(Q_{\text{in}}\), \(Q_{\text{out}}\), a me \(W_{\text{net}}\) no kekahi mau kaʻina hana.
Kaʻapuni Carnot: Palena Pono Loa
ʻO ke kaʻina hana Carnot he ʻelua mau kaʻina hana isothermal a me ʻelua mau kaʻina hana adiabatic. Pili wale ka pono o Carnot i nā mahana o ka waihona wela (\(T_H\)) a me ka waihona anu (\(T_C\)):
\[
\eta_{\text{Carnot}} = 1 – \frac{T_C}{T_H}
\]
Hōʻike kēia i kahi palena kumu: ʻaʻohe mīkini wela e hana ana ma waena o ʻelua mau mahana i kuhikuhi ʻia e hiki ke ʻoi aku ma mua o ka pono o Carnot. Hoʻohana ʻia kahi kinoea kūpono ma ke ʻano he wai hana e hoʻomaʻamaʻa i ka loaʻa ʻana o kēia ʻano hana a e hoʻomaopopo i ke kumu e hoʻopilikia nui ʻia ai ka pono e nā ʻokoʻa o ka mahana.
Kaʻapuni ʻOtto (Mīkini ʻEnekini)
ʻO ka pōʻaiapuni Otto kūpono e komo pū ana me ʻelua mau kaʻina hana adiabatic (compression a me expansion) a me ʻelua mau kaʻina hana isochoric (lawe wela a me ka hōʻole ʻana ma ka nui mau). ʻO ka pono o ka pōʻaiapuni Otto kūpono:
\[
\eta_{\text{Otto}} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma-1}}
\]
kahi ʻo \(r\) ka lakio compression. Pono kahi kinoea kūpono e hoʻopili i nā loli o ke kaomi, ka nui, a me ka mahana i ka wā o ka adiabatic compression/expansion.
Kaʻapuni Diesel (Mīkini Diesel)
Ua like ke kaʻina hana Diesel me ke kaʻina hana Otto, akā, ʻo ka hoʻokomo ʻana o ka wela ma ke kaomi mau (isobaric). He ʻoi aku ka paʻakikī o ka nānā ʻana, akā, ʻo nā helu kinoea kūpono ke kumu no ka helu ʻana i ka mahana a me ke kaomi ma kēlā me kēia wahi o ke kaʻina hana a me ka hoʻoholo ʻana i ka pono ma ke ʻano he hana o ka lakio compression a me ka lakio cut-off.
Nā Palena o ke Kumu Hoʻohālike Kinoea Kūpono i nā ʻenekini maoli
ʻOiai he mea pono loa, he mea maʻalahi ke kumu hoʻohālike kinoea kūpono. I loko o nā ʻenekini maoli, aia kekahi mau mea e ʻokoʻa ai nā hopena helu kūpono mai ka mea maoli:
1. Hoʻemi ka haʻalulu a me ka hoʻopuehu ʻana o ka ikehu i nā ʻāpana mīkini i ka hana ʻupena.
2. ʻAʻole i kāohi piha ʻia ka hoʻololi wela, ʻaʻole maikaʻi loa nā kaʻina hana he nui.
3. ʻO nā loli i ka haku mele kinoea (e.g. ke kuni ʻana) e hoʻolilo i ka wai hana i mea ʻole he kinoea kūpono maʻalahi me ka paʻa \(n\).
4. Ke ʻokoʻa nei nā kinoea maoli mai ke kūlana kūpono ma nā kaomi kiʻekiʻe a i ʻole nā mahana haʻahaʻa; lilo nā pilina intermolecular i mea koʻikoʻi.
5. Hiki i nā kaʻina hana non-quasi-static (wikiwiki loa) ke hana i nā kaulike ʻole kūloko, e hoʻolilo ana i ka loiloi kūpono i ʻoi aku ka pololei.
Eia nō naʻe, me kona mau palena, ʻo ka nānā ʻana i ke kinoea kūpono he ʻōnaehana hoʻomaka ikaika no ka hoʻolālā ʻana, ka hoʻohālikelike ʻana, a me ka hoʻomaopopo ʻana i nā ʻano hana o nā ʻenekini wela.
Ka hopena
Hāʻawi ka loiloi kinoea kūpono i nā ʻōnaehana mīkini thermal i kahi kumu manaʻo a me ka makemakika no ka hoʻomaopopo ʻana pehea e hiki ai ke hoʻololi i ka wela i hana ma o nā pōʻaiapuni thermodynamic. Ma ka hoʻohana ʻana i ka hoohalike (PV = nRT), ke Kānāwai Mua o Thermodynamics, a me ke kumu hoʻohālike isothermal, isobaric, isochoric, a me nā kaʻina hana adiabatic, hiki iā mākou ke helu i ka hana, ka wela, a me ka pono o ka mīkini ma ke ʻano i hoʻonohonoho ʻia. Hōʻike maopopo ka kiʻikuhi P – V ua like ka hana ʻupena me ka ʻāpana o ke pōʻaiapuni, ʻoiai ʻo ka pono e hōʻike ana i nā palena kumu i kau ʻia e ke pōʻaiapuni Carnot. ʻOiai ua pilikia nā mīkini maoli i nā pohō a me nā ʻokoʻa mai ke ʻano kūpono, ʻo ke kumu hoʻohālike kinoea kūpono e mau ana ka mea nui ma ke ʻano he kumu no ka nānā ʻana a me ke aʻo ʻana i nā mīkini thermal.
Inā makemake ʻoe, hiki iaʻu ke hoʻohui i nā laʻana o nā helu helu (e laʻa me ka helu ʻana i ka pono o Otto no kahi lakio compression i hāʻawi ʻia) a i ʻole e hōʻike i kahi mana o ka ʻatikala me kahi ʻano ʻepekema piha (hōʻuluʻulu manaʻo, loiloi kumumanaʻo, nā ʻano hana, kūkākūkā, a me ka papa inoa puke).
