ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम

ऊष्मागतिकी के द्वितीय नियम के बारे में लेख

सभी प्राकृतिक प्रक्रियाएँ केवल एक ही दिशा में घटित होती हैं, विपरीत दिशा में नहीं, जिन्हें आमतौर पर अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएँ कहा जाता है। डंठल से अलग होकर जमीन पर गिरने के बाद आम कभी ऊपर की ओर नहीं उठता। एक किताब जिसे हम धक्का देकर रोक देते हैं, वह कभी हमारी ओर वापस नहीं आती। यदि हम किसी उच्च तापमान वाली वस्तु (गर्म वस्तु) को किसी कम तापमान वाली वस्तु (ठंडी वस्तु) से स्पर्श करते हैं, तो ऊष्मा स्वाभाविक रूप से उच्च तापमान वाली वस्तु से कम तापमान वाली वस्तु की ओर प्रवाहित होती है। हम कभी भी विपरीत प्रक्रिया नहीं देखते, जिसमें ऊष्मा स्वाभाविक रूप से ठंडी वस्तु से गर्म वस्तु की ओर प्रवाहित होती है। यदि ऐसा होता, तो ठंडी वस्तु और ठंडी हो जाती, जबकि गर्म वस्तु और गर्म हो जाती। लेकिन वास्तविकता में ऐसा नहीं होता। कई अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएँ देखने में एक-दूसरे से भिन्न लगती हैं, लेकिन उन सभी में ऊर्जा के रूप में परिवर्तन और एक वस्तु से दूसरी वस्तु में ऊर्जा का स्थानांतरण शामिल होता है।

उदाहरण के लिए, एक शक्तिशाली भूकंप आता है जिससे इमारतें ढह जाती हैं (भूकंप की लहरों द्वारा उत्पन्न ऊर्जा के कारण इमारतें गिरती हैं)। क्या आपने कभी ढही हुई इमारत के हर हिस्से को फिर से जुड़कर पहले की तरह सीधा खड़ा होते देखा है? या, उदाहरण के लिए, एक गिलास ज़मीन पर गिरकर टूट जाता है... क्या आपने कभी फर्श पर बिखरे हुए कांच के टुकड़ों को फिर से जुड़कर पहले की तरह पूरा गिलास बनते देखा है? ऐसा कभी नहीं हुआ... ऐसे और भी कई उदाहरण हैं।

Untuk menjelaskan proses termodinamika yang terjadi hanya pada satu arah (proses ireversibel), para ilmuwan merumuskan hukum kedua termodinamika. Hukum kedua termodinamika menjelaskan proses apa saja yang bisa terjadi di alam semesta dan proses apa saja yang tidak bisa terjadi. Salah seorang ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822‐1888) membuat sebuah pernyataan berikut :

ऊष्मा स्वतः ही उच्च तापमान वाली वस्तु से निम्न तापमान वाली वस्तु की ओर स्थानांतरित होती है; निम्न तापमान वाली वस्तु से उच्च तापमान वाली वस्तु की ओर ऊष्मा स्वतः स्थानांतरित नहीं होती (ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम - क्लॉसियस का कथन)।

क्लॉसियस का कथन ऊष्मागतिकी के द्वितीय नियम का एक विशेष कथन है। इसे विशेष कथन इसलिए कहा जाता है क्योंकि यह केवल एक प्रक्रिया, अर्थात् ऊष्मा स्थानांतरण पर लागू होता है। चूंकि यह कथन अन्य प्रक्रियाओं से संबंधित नहीं है, इसलिए हमें एक अधिक सामान्य कथन की आवश्यकता है। ऊष्मागतिकी के द्वितीय नियम के सामान्य कथन का विकास आंशिक रूप से ऊष्मा इंजनों के अध्ययन पर आधारित था। इसलिए, हम पहले ऊष्मा इंजनों पर चर्चा करेंगे।

इंजन गर्म करें

हम जो ऊर्जा इस्तेमाल करते हैं, उसका अधिकांश भाग पेट्रोलियम, गैस और कोयले में निहित रासायनिक स्थितिज ऊर्जा से आता है। पेट्रोलियम, गैस या कोयले में निहित रासायनिक स्थितिज ऊर्जा का प्रत्यक्ष उपयोग नहीं किया जा सकता। पेट्रोलियम, गैस या कोयले को पहले जलाना पड़ता है। आमतौर पर, जीवाश्म ईंधन (पेट्रोलियम, गैस और कोयला) जलाने से ऊष्मा उत्पन्न होती है। ऊष्मा का उपयोग सीधे भोजन पकाने और कमरे को गर्म करने के लिए किया जा सकता है। किसी वस्तु को गति देने के लिए (उदाहरण के लिए, वाहन चलाने के लिए), हमें ऊष्मा को गतिज ऊर्जा या यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करना पड़ता है (यांत्रिक ऊर्जा = स्थितिज ऊर्जा + गतिज ऊर्जा)। यांत्रिक ऊर्जा को ऊष्मा में परिवर्तित करना बहुत आसान है, लेकिन ऊष्मा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करना कठिन है। अपनी हथेलियों को आपस में रगड़कर देखें... आपकी हथेलियाँ गर्म होती हैं, है ना? जब हम अपनी हथेलियों को आपस में रगड़ते हैं (हम कार्य करते हैं), तो यांत्रिक ऊर्जा ऊष्मा में परिवर्तित हो जाती है। यह प्रक्रिया बहुत सरल है... कार्य करके अनंत ऊष्मा भी उत्पन्न की जा सकती है। लेकिन इसका विपरीत, यानी ऊष्मा का उपयोग कार्य करने के लिए करना, कठिन है।

ऊष्मा का उपयोग करके कार्य करने वाला उपकरण सन् 1700 में ही आविष्कार किया गया था। यह उपकरण भाप इंजन था। भाप इंजनों का प्रयोग सर्वप्रथम कोयला खदानों से पानी निकालने के लिए किया गया था। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि भाप इंजनों का पहला उपयोग तब हुआ था जब वैज्ञानिकों को यह ज्ञात नहीं था कि ऊष्मा वास्तव में तापमान के अंतर के कारण स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा है (ऊष्मागतिकी का पहला नियम अभी तक प्रतिपादित नहीं हुआ था)।

उस समय भाप इंजनों का उपयोग संभवतः इस दैनिक अनुभव पर आधारित था कि भाप वस्तुओं को गति प्रदान कर सकती है। भाप इंजनों को ऊष्मा इंजन माना जाता है (ऊष्मा इंजन = ऊष्मा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने वाला उपकरण)। आज, भाप इंजनों का उपयोग विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। आधुनिक ऊष्मा इंजन आंतरिक दहन इंजन होते हैं (कार इंजन, मोटरसाइकिल इंजन आदि)।

ऊष्मा इंजन के उपयोग के पीछे मूल विचार यह है कि ऊष्मा को यांत्रिक ऊर्जा में तभी परिवर्तित किया जा सकता है जब उसे उच्च तापमान वाले क्षेत्र से निम्न तापमान वाले क्षेत्र की ओर प्रवाहित होने दिया जाए। इस प्रक्रिया के दौरान, कुछ ऊष्मा यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है (कुछ ऊष्मा कार्य करने में उपयोग होती है), जबकि कुछ ऊष्मा निम्न तापमान वाले क्षेत्र में वापस चली जाती है। ऊष्मा इंजन में ऊर्जा रूपांतरण और ऊर्जा स्थानांतरण की प्रक्रिया चित्र में दर्शाई गई है।

उच्च तापमान (T_H) और कम तापमान (T_Lइसे इंजन का परिचालन तापमान भी कहा जाता है। उच्च तापमान वाले स्थान से प्रवाहित होने वाली ऊष्मा को Q से दर्शाया जाता है।_Hजबकि कम तापमान वाले स्थान पर उत्सर्जित ऊष्मा को Q प्रतीक से दर्शाया जाता है।_L. जब उच्च तापमान वाले स्थान से निम्न तापमान वाले स्थान की ओर प्रवाह होता है, तो कुछ Q_H यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित होने पर (कार्य करने में प्रयुक्त होने पर), इसका कुछ भाग Q के रूप में मुक्त होता है।_Lदरअसल, हम वास्तव में आशा करते हैं कि सभी प्रश्न_H इसे W में परिवर्तित किया जा सकता है, लेकिन रोजमर्रा के अनुभव से पता चलता है कि यह असंभव है। कुछ ऊष्मा हमेशा नष्ट होती है। अतः, ऊर्जा संरक्षण के सिद्धांत के आधार पर यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि Q_H = डब्ल्यू + क्यू_L.

अब आइए ऊष्मा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले ऊष्मा इंजन की समीक्षा करें। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि हम केवल निरंतर कार्य करने वाले ऊष्मा इंजनों पर विचार कर रहे हैं। निरंतर कार्य करने के लिए, ऊष्मा का प्रवाह उच्च तापमान वाले क्षेत्र से निम्न तापमान वाले क्षेत्र की ओर निरंतर होना चाहिए। यदि ऊष्मा का प्रवाह केवल एक बार होता है, तो ऊष्मा इंजन द्वारा किया गया कार्य भी केवल एक बार ही होगा (उत्पादित यांत्रिक ऊर्जा बहुत कम होगी)। इसलिए, ऊष्मा इंजन का इष्टतम उपयोग नहीं किया जा सकता है। ऊष्मा इंजन का इष्टतम उपयोग तभी किया जा सकता है जब वह निरंतर कार्य करता हो। दूसरे शब्दों में, ऊष्मा इंजन द्वारा उत्पादित यांत्रिक ऊर्जा किसी वस्तु को गतिमान करने के लिए पर्याप्त होती है।

भाप का इंजन

भाप इंजन ऊष्मा स्थानांतरण के लिए जल वाष्प का उपयोग करते हैं। भाप को भाप इंजन का क्रियाशील पदार्थ कहा जाता है। भाप इंजन दो प्रकार के होते हैं: प्रत्यावर्ती भाप इंजन और टरबाइन भाप इंजन (स्टीम टर्बाइन)। इनके डिज़ाइन में थोड़ा अंतर होता है, लेकिन दोनों प्रकारों में समानताएँ हैं: ये तेल, गैस, कोयला या परमाणु ऊर्जा जलाने से गर्म हुई भाप का उपयोग करते हैं।

प्रत्यावर्ती प्रकार का भाप इंजन

किसी पात्र में रखे पानी को आमतौर पर उच्च दाब पर गर्म किया जाता है। उच्च दाब पर गर्म होने के कारण, उबलने की प्रक्रिया उच्च तापमान पर होती है। तापमान दाब के सीधे समानुपाती होता है। भाप का तापमान जितना अधिक होगा, वाष्प दाब उतना ही अधिक होगा। यह उच्च तापमान या उच्च दाब वाली भाप प्रवेश वाल्व से होकर गुजरती है और पिस्टन के विरुद्ध फैलती है। फैलने के कारण, भाप पिस्टन को धकेलती है, जिससे वह दाईं ओर खिसकता है।

भाप की कुछ ऊष्मा गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। जब पिस्टन दाईं ओर चलता है, तो पिस्टन से जुड़ा पहिया घूमता है (1)। आधा चक्कर पूरा होने पर, पहिया पिस्टन को वापस उसकी मूल स्थिति में धकेल देता है (2)। जब पिस्टन बाईं ओर चलता है, तो इनलेट वाल्व अपने आप बंद हो जाता है, जबकि एग्जॉस्ट वाल्व अपने आप खुल जाता है। भाप कंडेंसर द्वारा संघनित होकर ओस में बदल जाती है। इसके बाद, कंडेंसर में मौजूद पानी को फिर से उबालने के लिए बर्तन में वापस पंप किया जाता है। और यह प्रक्रिया चलती रहती है… क्योंकि यह प्रक्रिया बार-बार होती है, इसलिए पिस्टन लगातार दाईं और बाईं ओर चलता रहता है। पिस्टन के लगातार दाईं और बाईं ओर चलने के कारण, पहिया भी लगातार घूमता रहता है। पहिये के घूमने का उपयोग आमतौर पर किसी वस्तु को स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है।

वाष्प टरबाइन

स्टीम टरबाइन का कार्य सिद्धांत मूलतः प्रत्यावर्ती स्टीम इंजन के समान ही है। अंतर यह है कि प्रत्यावर्ती स्टीम इंजन में पिस्टन का उपयोग होता है, जबकि स्टीम टरबाइन में टरबाइन का उपयोग होता है। प्रत्यावर्ती स्टीम इंजन में, ऊष्मा पहले पिस्टन की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित होती है। उसके बाद, पिस्टन की गतिज ऊर्जा घूर्णनशील पहिये की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। स्टीम टरबाइन में, ऊष्मा सीधे टरबाइन की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। टरबाइन दाब अंतर के कारण घूर्णन करता है। ब्लेड के ऊपर भाप का तापमान ब्लेड के नीचे भाप के तापमान से काफी अधिक होता है। ब्लेड टरबाइन के केंद्र में स्थित एक पतली प्लेट होती है। तापमान दाब के सीधे समानुपाती होता है। क्योंकि ब्लेड के ऊपर भाप का तापमान ब्लेड के नीचे भाप के तापमान से अधिक होता है, इसलिए ब्लेड के ऊपर भाप का दाब ब्लेड के नीचे के दाब से अधिक होता है। इस दाब अंतर के कारण भाप ब्लेड को नीचे की ओर धकेलती है, जिससे टरबाइन घूमने लगता है। टरबाइन के घूर्णन की दिशा चित्र में दर्शाई गई है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि भाप इंजन का कार्य सिद्धांत ऊपर वर्णित ऊर्जा स्थानांतरण आरेख पर आधारित है। इस स्थिति में, उच्च तापमान वाली वस्तु या स्थान से कम तापमान वाली वस्तु या स्थान की ओर ऊष्मा का प्रवाह होने देकर यांत्रिक ऊर्जा उत्पन्न की जा सकती है। इसलिए, भाप इंजन में तापमान का अंतर आवश्यक है।

यदि आप ध्यान से देखें कि प्रत्यावर्ती भाप इंजन कैसे काम करता है, तो आप पाएंगे कि तापमान में कोई अंतर न होने (कंडेंसर या पंप न होने) के बावजूद पिस्टन बाएँ और दाएँ गति कर सकता है। पिस्टन उच्च तापमान या उच्च दबाव वाली भाप के विस्तार के कारण दाएँ गति कर सकता है। इस स्थिति में, भाप की कुछ ऊष्मा पिस्टन की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। पिस्टन की यह गतिज ऊर्जा फिर घूमने वाले पहिये की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। आधा चक्कर पूरा करने के बाद, पहिया पिस्टन को वापस बाईं ओर धकेल देता है। जब पहिया पिस्टन को वापस बाईं ओर धकेलता है, तो पहिये की गतिज ऊर्जा फिर से पिस्टन की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। जैसे ही पिस्टन बाईं ओर गति करता है, वह सिलेंडर में मौजूद भाप को बाहर धकेल देता है। उसी समय, निकास वाल्व खुल जाता है।

इस प्रकार, पिस्टन द्वारा धकेली गई भाप निकास वाल्व के नीचे स्थित भाप को धकेल देगी। यदि निकास वाल्व के नीचे स्थित भाप का तापमान पिस्टन द्वारा धकेली गई भाप के तापमान के बराबर है, तो पिस्टन की सभी स्थानान्तरणीय गतिज ऊर्जा भाप की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाएगी। आंतरिक ऊर्जा तापमान के सीधे समानुपाती होती है। यदि भाप की आंतरिक ऊर्जा बढ़ती है, तो भाप का तापमान भी बढ़ता है। तापमान दाब के सीधे समानुपाती होता है। यदि भाप का तापमान बढ़ता है, तो भाप का दाब भी बढ़ता है। इस प्रकार, निकास वाल्व से निकलने वाली भाप का दाब प्रवेश वाल्व से प्रवेश करने वाली भाप के दाब के बराबर होता है। पिस्टन लगातार दाएं और बाएं गति करता रहेगा, लेकिन उपयोग की जा सकने वाली कोई कुल गतिज ऊर्जा नहीं होगी (कोई कुल कार्य उत्पन्न नहीं होगा)। अतः, विस्तार प्रक्रिया (पिस्टन के दाएं ओर गति करने) के दौरान पिस्टन द्वारा प्राप्त गतिज ऊर्जा संपीड़न प्रक्रिया (पिस्टन के बाएं ओर गति करने) के दौरान भाप को वापस मिल जाएगी।

निष्कर्ष यह निकलता है कि भाप इंजन में तापमान का अंतर अभी भी आवश्यक है। भाप इंजन में यह तापमान अंतर कंडेंसर का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। जब निकास वाल्व के नीचे भाप का तापमान और दबाव सिलेंडर में भाप के तापमान और दबाव से काफी कम होता है, तो पिस्टन के बाईं ओर वापस जाने पर, पिस्टन द्वारा भाप पर लगाया गया दबाव, पिस्टन के दाईं ओर जाने पर भाप द्वारा पिस्टन पर लगाए गए दबाव से बहुत कम होता है। दूसरे शब्दों में, पिस्टन द्वारा भाप पर किया गया कार्य, भाप द्वारा पिस्टन पर किए गए कार्य से बहुत कम होता है। इसलिए पिस्टन की गतिज ऊर्जा का केवल एक छोटा सा हिस्सा ही भाप को वापस मिलता है। इस प्रकार, कुल गतिज ऊर्जा या कुल कार्य उत्पन्न होता है। इस कुल गतिज ऊर्जा का उपयोग किसी वस्तु को गतिमान करने के लिए किया जाता है।

आंतरिक दहन इंजन

मोटरसाइकिल और कार के इंजन आंतरिक दहन इंजनों के उदाहरण हैं। इन्हें आंतरिक दहन इंजन इसलिए कहा जाता है क्योंकि दहन प्रक्रिया एक बंद सिलेंडर के अंदर होती है। आंतरिक दहन इंजन ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम में वर्णित रुद्धोष्म संपीडन और विस्तार की अवधारणा को इंजीनियरिंग के माध्यम से विकसित किए गए हैं ।

हम केवल गैसोलीन और डीजल का उपयोग करने वाले आंतरिक दहन इंजनों पर विचार करेंगे। गैसोलीन और डीजल पेट्रोलियम उत्पाद हैं, और इसलिए इनमें रासायनिक स्थितिज ऊर्जा होती है। गैसोलीन और डीजल में मौजूद रासायनिक स्थितिज ऊर्जा दहन प्रक्रिया के माध्यम से पहले ऊष्मा में परिवर्तित होती है। दहन से उत्पन्न ऊष्मा फिर यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। यही यांत्रिक ऊर्जा मोटरसाइकिल या कार को गति प्रदान करती है। गैसोलीन इंजन में चक्र को ऑटो चक्र कहा जाता है, जबकि डीजल इंजन में चक्र को डीजल चक्र कहा जाता है। चक्र एक उत्क्रमणीय ऊष्मागतिक प्रक्रिया है। आइए पहले ऑटो चक्र पर चर्चा करें।

ओटो चक्र

यह एक चार-स्ट्रोक आंतरिक दहन इंजन का आरेख है। पिस्टन के नीचे की ओर गति करने पर (अंतर्ग्रहण स्ट्रोक), कार्बोरेटर से हवा और गैसोलीन वाष्प का मिश्रण सिलेंडर में प्रवेश करता है। सिलेंडर में हवा और गैसोलीन वाष्प का मिश्रण पिस्टन के ऊपर की ओर गति करने पर रुद्धोष्म रूप से संपीड़ित होता है (संपीड़न स्ट्रोक)। रुद्धोष्म रूप से संपीड़ित होने के कारण, मिश्रण का तापमान और दाब बढ़ जाता है। साथ ही, स्पार्क प्लग मिश्रण को प्रज्वलित करता है। जलने पर, गैस का तापमान और दाब बढ़ जाता है। उच्च तापमान और उच्च दाब वाली गैस पिस्टन पर दबाव डालती है, जिससे पिस्टन नीचे की ओर धकेला जाता है (विस्तार स्ट्रोक)। जली हुई गैस निकास वाल्व के माध्यम से निकास पाइप की ओर निकल जाती है (निकास स्ट्रोक)। अंतर्ग्रहण वाल्व फिर से खुलता है, और चारों स्ट्रोक दोहराए जाते हैं।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि रुद्धोष्म संपीडन स्ट्रोक का उद्देश्य वायु-पेट्रोल वाष्प मिश्रण के तापमान और दबाव को बढ़ाना है। उच्च दबाव पर दहन से बहुत उच्च तापमान और दबाव उत्पन्न होते हैं। परिणामस्वरूप, विस्तार प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न होने वाला बल (F = PA) बहुत अधिक होता है। इससे मोटरसाइकिल या कार का इंजन अधिक शक्तिशाली हो जाता है। संपीडन के बिना भी, स्पार्क प्लग द्वारा चिंगारी उत्पन्न होने पर वायु-पेट्रोल वाष्प मिश्रण प्रज्वलित हो सकता है। हालांकि, दहनशील गैस का तापमान और दबाव बहुत अधिक नहीं होता है, इसलिए उत्पन्न बल भी कम होता है। परिणामस्वरूप, इंजन कम शक्तिशाली हो जाता है।

चार-स्ट्रोक आंतरिक दहन इंजन में ऊर्जा रूपांतरण और ऊर्जा स्थानांतरण की प्रक्रिया को निम्न प्रकार से समझाया जा सकता है: दहन के दौरान, गैसोलीन में निहित रासायनिक स्थितिज ऊर्जा और वायु में निहित ऊर्जा ऊष्मा में परिवर्तित होती है। कुछ ऊष्मा पिस्टन रॉड और क्रैंकशाफ्ट में यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, जबकि कुछ निकास पाइप के माध्यम से बाहर निकल जाती है। पिस्टन रॉड और क्रैंकशाफ्ट में निहित अधिकांश यांत्रिक ऊर्जा वाहन में यांत्रिक ऊर्जा (वाहन को गति प्रदान करने) में परिवर्तित हो जाती है, जबकि एक छोटा हिस्सा ऊष्मा में परिवर्तित हो जाता है। घर्षण से ऊष्मा उत्पन्न होती है।

ओटो चक्र में रुद्धोष्म प्रसार और संपीडन प्रक्रिया को नीचे दिए गए चित्र द्वारा दर्शाया जा सकता है। यह चित्र गैसोलीन से चलने वाले आंतरिक दहन इंजन में होने वाली ऊष्मागतिक प्रक्रियाओं का एक आदर्श मॉडल प्रस्तुत करता है।

वायु और गैसोलीन वाष्प का मिश्रण सिलेंडर में प्रवेश करता है (a)। फिर इस मिश्रण को रुद्धोष्म रूप से संपीड़ित किया जाता है (a-b)। ध्यान दें कि सिलेंडर का आयतन घट जाता है। वायु और गैसोलीन वाष्प के मिश्रण को स्थिर आयतन पर गर्म किया जाता है - मिश्रण जल जाता है (b-c)। जली हुई गैस रुद्धोष्म रूप से फैलती है (c-d)। स्थिर आयतन पर ठंडा करने पर - जली हुई गैस निकास पाइप में निकल जाती है और वायु + गैसोलीन वाष्प का एक नया मिश्रण सिलेंडर में प्रवेश करता है (d-a)।

वायु और गैसोलीन वाष्प का मिश्रण सिलेंडर में प्रवेश करता है (a)। फिर इस मिश्रण को रुद्धोष्म रूप से संपीड़ित किया जाता है (a-b)। ध्यान दें कि सिलेंडर का आयतन घट जाता है। वायु और गैसोलीन वाष्प के मिश्रण को स्थिर आयतन पर गर्म किया जाता है - मिश्रण जल जाता है (b-c)। जली हुई गैस रुद्धोष्म रूप से फैलती है (c-d)। स्थिर आयतन पर ठंडा करने पर - जली हुई गैस निकास पाइप में निकल जाती है और वायु + गैसोलीन वाष्प का एक नया मिश्रण सिलेंडर में प्रवेश करता है (d-a)।

डीजल चक्र

डीजल इंजन का कार्य सिद्धांत गैसोलीन इंजन के समान ही होता है। अंतर प्रारंभिक रुद्धोष्म संपीडन (एडियाबेटिक संपीडन = वह संपीडन जो इतनी तेजी से होता है कि ऊष्मा को सिस्टम में प्रवेश करने या उससे बाहर निकलने का समय नहीं मिलता। इस मामले में सिस्टम एक सिलेंडर है) में निहित है। गैसोलीन इंजन में, हवा और गैसोलीन वाष्प के मिश्रण को संपीड़ित किया जाता है, जबकि डीजल इंजन में केवल हवा को संपीड़ित किया जाता है। रुद्धोष्म संपीडन के कारण हवा का तापमान और दबाव बढ़ जाता है। इसके बाद, इंजेक्टर डीजल का छिड़काव करता है। चूंकि हवा का तापमान और दबाव पहले से ही बहुत अधिक होता है, इसलिए सिलेंडर में डीजल का छिड़काव होते ही वह तुरंत प्रज्वलित हो जाता है। स्पार्क प्लग की आवश्यकता नहीं होती। नीचे दिए गए चित्र में दर्शाए गए दबाव मान पर ध्यान दें। इसकी तुलना ऑटो चक्र आरेख में दर्शाए गए दबाव मान से करें।

यह आरेख एक आदर्श डीजल चक्र को दर्शाता है। प्रारंभ में, वायु को रुद्धोष्म रूप से संपीड़ित किया जाता है (a-b), फिर स्थिर दाब पर गर्म किया जाता है - इंजेक्टर डीजल का छिड़काव करता है और दहन होता है (b-c), जली हुई गैस रुद्धोष्म रूप से विस्तारित होती है (c-d), स्थिर आयतन पर ठंडी होती है - जली हुई गैस निकास पाइप के माध्यम से बाहर निकल जाती है और ताजी हवा सिलेंडर में प्रवेश करती है (d-a)।

उपरोक्त व्याख्या के आधार पर यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि प्रत्येक ऊष्मा इंजन में मूलतः एक विशिष्ट कार्यकारी पदार्थ होता है। भाप इंजन का कार्यकारी पदार्थ जल है, गैसोलीन इंजन का कार्यकारी पदार्थ वायु और गैसोलीन वाष्प है, और डीजल इंजन का कार्यकारी पदार्थ वायु और डीजल है। कार्यकारी पदार्थ आमतौर पर उच्च तापमान (QH) पर ऊष्मा अवशोषित करता है _, कार्य (W) करता है, और फिर शेष ऊष्मा को कम तापमान (QL) पर मुक्त करता है _। क्योंकि ऊर्जा संरक्षित रहती है, इसलिए QH ₌ W + QL होता _है ।

ऊष्मा इंजन की दक्षता

_{किसी ऊष्मा इंजन की दक्षता (e) इंजन द्वारा किए गए कार्य (W) और उच्च तापमान पर ऊष्मा इनपुट ( QH} ) का अनुपात है । गणितीय रूप से, इसे इस प्रकार लिखा जा सकता है:

W हमारा लाभ है, जबकि QH ईंधन खरीदने और जलाने की लागत _है । मनुष्य होने के नाते, हम हमेशा अधिकतम लाभ और न्यूनतम व्यय चाहते हैं, इसलिए हम आशा करते हैं कि हमारा लाभ (W) हमारी लागत (QH) के बराबर हो। क्या यह संभव है?

ऊर्जा संरक्षण के सिद्धांत के अनुसार, इनपुट ऊष्मा (QH ₎ किए गए कार्य (W) + मुक्त ऊष्मा (QL) के बराबर होनी चाहिए _। गणितीय रूप से:

किसी ऊष्मा इंजन की दक्षता को प्रतिशत में व्यक्त करने के लिए, दक्षता समीकरण को 100% से गुणा करें। उपरोक्त दक्षता समीकरण के आधार पर, ऊष्मा इंजन द्वारा जितनी अधिक ऊष्मा अस्वीकृत (Q _L ) की जाती है, उसकी दक्षता उतनी ही कम होती है। हम चाहते हैं कि ऊष्मा अस्वीकृत (Q _L ) यथासंभव कम हो। हालांकि, ऊष्मा इनपुट (Q _H ) आमतौर पर तेल, कोयला, गैस आदि (जिन ईंधनों के लिए हम भुगतान करते हैं) को जलाकर प्राप्त किया जाता है।

इसलिए, प्रत्येक ऊष्मा इंजन को मूलतः यथासंभव कुशल बनाने के लिए डिज़ाइन किया जाता है। यद्यपि हम न्यूनतम व्यय से अधिकतम लाभ प्राप्त करना चाहते हैं, वास्तविकता यह है कि भाप इंजन आमतौर पर लगभग 40% कुशल होते हैं, जबकि आंतरिक दहन इंजन लगभग 50% कुशल होते हैं। इसका अर्थ है कि ईंधन जलाने से उत्पन्न ऊष्मा का आधा भाग व्यर्थ हो जाता है। केवल आधा भाग ही यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित होता है।

उदाहरण प्रश्न 1:

एक ऊष्मा इंजन 3000 जूल ऊष्मा (QH) अवशोषित करता है _, कार्य (W) करता है और 2500 जूल ऊष्मा (QL) उत्सर्जित करता है _। ऊष्मा इंजन की दक्षता क्या है?

विचार-विमर्श

उदाहरण प्रश्न 2:

एक ऊष्मा इंजन 3000 जूल ऊष्मा (QH) अवशोषित करता है _, कार्य (W) करता है और 2000 जूल ऊष्मा (QL) उत्सर्जित करता है _। ऊष्मा इंजन की दक्षता क्या है?

विचार-विमर्श

उदाहरण प्रश्न 3:

एक ऊष्मा इंजन 3000 जूल ऊष्मा (QH) अवशोषित करता है _, कार्य (W) करता है और 1500 जूल ऊष्मा (QL) उत्सर्जित करता है _। ऊष्मा इंजन की दक्षता क्या है?

विचार-विमर्श