Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը

Հոդված ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքի մասին

Բոլոր բնական գործընթացները տեղի են ունենում միայն մեկ ուղղությամբ, բայց չեն կարող տեղի ունենալ հակառակ ուղղությամբ, որոնք սովորաբար անվանում են անդառնալի գործընթացներ: Իր ցողունից անջատվելուց և գետնին ազատորեն ընկնելուց հետո մանգոն այլևս երբեք վեր չի շարժվում: Գիրքը, որը մենք սեղմում ենք, ապա կանգնում, երբեք չի շարժվում դեպի մեզ: Եթե մենք բարձր ջերմաստիճան ունեցող առարկային (տաք առարկա) դիպչենք ցածր ջերմաստիճան ունեցող առարկային (սառը առարկա), ջերմությունը բնականաբար հոսում է բարձր ջերմաստիճան ունեցող առարկայից դեպի ցածր ջերմաստիճան ունեցող առարկան: Մենք երբեք չենք տեսնում հակադարձ գործընթացը, որտեղ ջերմությունը բնականաբար տեղափոխվում է սառը առարկայից դեպի տաք առարկա: Եթե այս գործընթացը տեղի ունենար, ապա սառը առարկան կդառնար ավելի սառը, մինչդեռ տաք առարկան՝ ավելի տաք: Բայց իրականում դա այդպես չէ: Կան բազմաթիվ անդառնալի գործընթացներ, որոնք թվում են միմյանցից տարբեր, բայց դրանք բոլորը ներառում են էներգիայի ձևի փոփոխություններ և էներգիայի փոխանցում մեկ առարկայից մյուսը:

Օրինակ՝ տեղի է ունենում հզոր երկրաշարժ, որը շենքերի փլուզման պատճառ է դառնում (շենքերը փլուզվում են երկրաշարժի ալիքների կողմից տեղափոխվող էներգիայի պատճառով): Դուք երբևէ տեսե՞լ եք, թե ինչպես է փլուզված շենքի յուրաքանչյուր մասը կրկին միանում և ուղղահայաց կանգնում, ինչպես նախկինում: Կամ, օրինակ, բաժակը ընկնում է հատակին և կոտրվում... Դուք երբևէ տեսե՞լ եք, թե ինչպես են հատակին ցրված ապակու բեկորները կրկին միանում և կազմում ապակի, որն ամբողջական է, ինչպես նախկինում: Երբեք չի պատահել... կան շատ այլ օրինակներ:

Միայն մեկ ուղղությամբ տեղի ունեցող թերմոդինամիկական պրոցեսները (անշրջելի պրոցեսներ) բացատրելու համար գիտնականները ձևակերպեցին թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը: Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը բացատրում է, թե որ պրոցեսները կարող են տեղի ունենալ տիեզերքում, և որոնք՝ ոչ: Ռ.Ջ.Է. Կլաուզիուս անունով մի գիտնական (1822–1888) հետևյալն է ասել.

Ջերմությունը բարձր ջերմաստիճան ունեցող մարմնից ինքնուրույն է տեղափոխվում ցածր ջերմաստիճան ունեցող մարմնին։ Ջերմությունը ցածր ջերմաստիճան ունեցող մարմնից ինքնուրույն չի տեղափոխվի բարձր ջերմաստիճան ունեցող մարմնին (թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենք՝ Կլաուզիուսի ձևակերպում)։

Կլաուզիուսի պնդումը ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքի հատուկ պնդում է։ Այն կոչվում է հատուկ պնդում, քանի որ վերաբերում է միայն մեկ պրոցեսի՝ ջերմափոխանակմանը։ Քանի որ այս պնդումը չի վերաբերում այլ պրոցեսների, մեզ անհրաժեշտ է ավելի ընդհանուր պնդում։ Ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքի ընդհանուր պնդման մշակումը մասամբ հիմնված է եղել ջերմային շարժիչների ուսումնասիրության վրա։ Հետևաբար, նախ կքննարկենք ջերմային շարժիչները։

Ջերմային շարժիչ

Մեր օգտագործած էներգիայի մեծ մասը գալիս է նավթի, գազի և ածխի մեջ պարունակվող քիմիական պոտենցիալ էներգիայից: Նավթի, գազի կամ ածխի մեջ պարունակվող քիմիական պոտենցիալ էներգիան չի կարող ուղղակիորեն օգտագործվել: Նավթը, գազը կամ ածուխը նախ պետք է այրվեն: Սովորաբար, բրածո վառելիքի (նավթ, գազ և ածուխ) այրումը ջերմություն է առաջացնում: Ջերմությունը կարող է ուղղակիորեն օգտագործվել սնունդ պատրաստելու և սենյակը տաքացնելու համար: Ինչ-որ բան շարժելու համար (օրինակ՝ տրանսպորտային միջոցը շարժելու համար) մենք պետք է ջերմությունը վերածենք կինետիկ էներգիայի կամ մեխանիկական էներգիայի (մեխանիկական էներգիա = պոտենցիալ էներգիա + կինետիկ էներգիա): Մեխանիկական էներգիան ջերմության վերածելը շատ հեշտ գործ է, բայց ջերմությունը մեխանիկական էներգիայի վերածելը դժվար է: Փորձեք ափերը միմյանց շփել… ձեր ափերը տաք են, այնպես չէ՞: Երբ մենք ափերը միմյանց շփում ենք (մենք աշխատանք ենք կատարում), մեխանիկական էներգիան վերածվում է ջերմության: Գործընթացը շատ հեշտ է… Նույնիսկ անսահման ջերմություն կարող է առաջանալ աշխատանք կատարելով: Բայց հակառակ գործընթացը, այսինքն՝ ջերմությունն օգտագործելը աշխատանք կատարելու համար, դժվար է:

Ջերմությունն աշխատանք կատարելու համար օգտագործվող սարքը հորինվել է միայն 1700 թվականին։ Խոսքը գոլորշու շարժիչի մասին էր։ Գոլորշու շարժիչները առաջին անգամ օգտագործվել են ածխահանքերից ջուրը դուրս մղելու համար։ Կարևոր է նշել, որ գոլորշու շարժիչների առաջին օգտագործումը տեղի է ունեցել նախքան գիտնականները կհասկանային, որ ջերմությունը իրականում ջերմաստիճանի տարբերությունների պատճառով փոխանցվող էներգիա է (թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը դեռ ձևակերպված չէր)։

Այդ ժամանակ գոլորշու շարժիչների օգտագործումը, հավանաբար, հիմնված էր առօրյա փորձի վրա, որը ցույց էր տալիս, որ գոլորշին կարող է տեղաշարժել առարկաները: Գոլորշու շարժիչները համարվում են ջերմային շարժիչներ (ջերմային շարժիչ = սարք, որը ջերմությունը փոխակերպում է մեխանիկական էներգիայի): Այսօր գոլորշու շարժիչները օգտագործվում են էլեկտրական էներգիա ստանալու համար: Ժամանակակից ջերմային շարժիչները ներքին այրման շարժիչներն են (մեքենաների շարժիչներ, մոտոցիկլետների շարժիչներ և այլն):

Ջերմային շարժիչի օգտագործման հիմնական գաղափարն այն է, որ ջերմությունը կարող է փոխակերպվել մեխանիկական էներգիայի միայն այն դեպքում, եթե այն թույլատրվի հոսել բարձր ջերմաստիճանի տիրույթից ցածր ջերմաստիճանի տիրույթ: Այս գործընթացի ընթացքում ջերմության մի մասը փոխակերպվում է մեխանիկական էներգիայի (ջերմության մի մասն օգտագործվում է աշխատանք կատարելու համար), մինչդեռ ջերմության մի մասը դուրս է մղվում ցածր ջերմաստիճանի տիրույթ: Ջերմային շարժիչում էներգիայի փոխակերպման և էներգիայի փոխանցման գործընթացը ներկայացված է դիագրամում:

Բարձր ջերմաստիճան (T_H) և ցածր ջերմաստիճան (T_L) կոչվում է նաև շարժիչի աշխատանքային ջերմաստիճան։ Բարձր ջերմաստիճանի վայրից հոսող ջերմությունը նշվում է Q սիմվոլով։_H, մինչդեռ ցածր ջերմաստիճան ունեցող վայր արտանետվող ջերմությունը նշվում է Q սիմվոլով։_L. Երբ բարձր ջերմաստիճանի վայրից հոսում է ցածր ջերմաստիճանի վայր, որոշ Q_H վերածվում է մեխանիկական էներգիայի (օգտագործվում է աշխատանք կատարելու համար), դրա մի մասը արտանետվում է որպես Q_LԻրականում մենք իսկապես հույս ունենք, որ բոլոր Q-ները_H կարող է վերածվել W-ի, սակայն առօրյա փորձը ցույց է տալիս, որ դա անհնար է։ Միշտ որոշակի ջերմություն է կորչում։ Այսպիսով, էներգիայի պահպանման օրենքը հաշվի առնելով, կարելի է եզրակացնել, որ Q-ն_H = Վ + Ք_L.

Հիմա եկեք վերանայենք ջերմային շարժիչը, որը լայնորեն օգտագործվում է ջերմությունը մեխանիկական էներգիայի փոխակերպելու համար: Կարևոր է նշել, որ մենք դիտարկում ենք միայն այն ջերմային շարժիչները, որոնք կատարում են անընդհատ աշխատանք: Որպեսզի աշխատանքը կատարվի անընդհատ, ջերմությունը պետք է անընդհատ հոսի բարձր ջերմաստիճանի տիրույթից դեպի ցածր ջերմաստիճանի տիրույթ: Եթե ջերմությունը հոսում է միայն մեկ անգամ, ապա ջերմային շարժիչի կողմից կատարված աշխատանքը նույնպես կկատարվի միայն մեկ անգամ (արտադրվող մեխանիկական էներգիան շատ փոքր կլինի): Հետևաբար, ջերմային շարժիչը չի կարող օպտիմալ կերպով օգտագործվել: Ջերմային շարժիչը կարող է օպտիմալ կերպով օգտագործվել, եթե այն անընդհատ աշխատանք է կատարում: Այլ կերպ ասած, ջերմային շարժիչի կողմից արտադրված մեխանիկական էներգիան բավարար է ինչ-որ բան շարժելու համար օգտագործելու համար:

Գոլորշու շարժիչ

Գոլորշու շարժիչները որպես ջերմափոխանակիչ միջավայր օգտագործում են ջրային գոլորշի։ Գոլորշին կոչվում է գոլորշու շարժիչի աշխատանքային նյութ։ Գոյություն ունեն գոլորշու շարժիչների երկու տեսակ՝ փոխադարձ գոլորշու շարժիչներ և տուրբինային գոլորշու շարժիչներ (գոլորշու տուրբիններ)։ Դրանց կառուցվածքը մի փոքր տարբերվում է, բայց երկու տեսակներն էլ ունեն նմանություններ. դրանք օգտագործում են գոլորշի, որը տաքացվում է նավթի, գազի, ածուխի կամ միջուկային էներգիայի այրմամբ։

Փոխադարձ տիպի գոլորշու շարժիչ

Տարայի մեջ ջուրը սովորաբար տաքացվում է բարձր ճնշման տակ։ Քանի որ այն տաքացվում է բարձր ճնշման տակ, եռման գործընթացը տեղի է ունենում բարձր ջերմաստիճանում։ Ջերմաստիճանը ուղիղ համեմատական ​​է ճնշմանը։ Որքան բարձր է գոլորշու ջերմաստիճանը, այնքան մեծ է գոլորշու ճնշումը։ Այս բարձր ջերմաստիճանի կամ բարձր ճնշման գոլորշին շարժվում է մուտքային փականի միջով և ընդարձակվում մխոցի դեմ։ Ընդլայնվելուն զուգընթաց գոլորշին մղում է մխոցը՝ ստիպելով այն շարժվել դեպի աջ։

Գոլորշու մեջ ջերմության մի մասը վերածվում է կինետիկ էներգիայի: Երբ մխոցը շարժվում է դեպի աջ, մխոցին միացված անիվը պտտվում է (1): Կես պտույտից հետո անիվը մխոցը հետ է մղում իր սկզբնական դիրքին (2): Երբ մխոցը շարժվում է դեպի ձախ, մուտքի փականը ավտոմատ կերպով փակվում է, մինչդեռ արտանետման փականը ավտոմատ կերպով բացվում է: Գոլորշին խտանում է խտացուցիչի կողմից՝ վերածվելով ցողի: Այնուհետև խտացուցիչի մեջ գտնվող ջուրը մղվում է ետ տարայի մեջ՝ կրկին եռացնելու համար: Եվ այսպես շարունակ… Քանի որ գործընթացը կրկնվում է բազմիցս, մխոցը անընդհատ շարժվում է դեպի աջ և ձախ: Քանի որ մխոցը անընդհատ շարժվում է դեպի աջ և ձախ, անիվը նույնպես անընդհատ պտտվում է: Անիվի պտույտը սովորաբար օգտագործվում է ինչ-որ բան շարժելու համար:

Գոլորշու տուրբին

Գոլորշու տուրբինի աշխատանքի սկզբունքը էապես նույնն է, ինչ փոխադարձ գոլորշու շարժիչինը։ Տարբերությունն այն է, որ փոխադարձ գոլորշու շարժիչն օգտագործում է մխոց, մինչդեռ գոլորշու տուրբինը՝ տուրբին։ Փոխադարձ գոլորշու շարժիչում ջերմությունը նախ վերածվում է մխոցի տեղափոխական կինետիկ էներգիայի։ Դրանից հետո մխոցի տեղափոխական կինետիկ էներգիան վերածվում է պտտվող անիվի պտտական ​​կինետիկ էներգիայի։ Գոլորշու տուրբինում ջերմությունը ուղղակիորեն վերածվում է տուրբինի պտտական ​​կինետիկ էներգիայի։ Տուրբինը կարող է պտտվել ճնշման տարբերության պատճառով։ Թևի վերևում գտնվող գոլորշու ջերմաստիճանը շատ ավելի բարձր է, քան թևի տակ գտնվող գոլորշու ջերմաստիճանը։ Թևը բարակ թիթեղ է, որը գտնվում է տուրբինի կենտրոնում։ Ջերմաստիճանը ուղիղ համեմատական ​​է ճնշմանը։ Քանի որ թևի վերևում գտնվող գոլորշու ջերմաստիճանը ավելի բարձր է, քան թևի տակ գտնվող գոլորշու ջերմաստիճանը, թևի վերևում գտնվող գոլորշու ճնշումը մեծ է, քան թևի տակ գտնվող ճնշումը։ Այս ճնշման տարբերությունը ստիպում է գոլորշուն թևը ներքև մղել, ինչը ստիպում է տուրբինին պտտվել։ Տուրբինի պտտման ուղղությունը ցույց է տրված նկարում։

Կարևոր է նշել, որ գոլորշու շարժիչի աշխատանքի սկզբունքը հիմնված է վերևում բացատրված էներգիայի փոխանցման դիագրամի վրա: Այս դեպքում մեխանիկական էներգիան կարող է առաջանալ՝ թույլ տալով ջերմությանը հոսել բարձր ջերմաստիճան ունեցող առարկայից կամ վայրից դեպի ցածր ջերմաստիճան ունեցող առարկա կամ վայր: Հետևաբար, գոլորշու շարժիչում ջերմաստիճանի տարբերությունը կարևոր է:

Եթե ​​ուշադրություն դարձնեք, թե ինչպես է աշխատում փոխադարձ գոլորշու շարժիչը, կնկատեք, որ մխոցը կարող է շարժվել ձախ և աջ, նույնիսկ եթե ջերմաստիճանի տարբերություն չկա (խտացուցիչ կամ պոմպ չկա): Մխոցը կարող է շարժվել աջ՝ բարձր ջերմաստիճանի կամ բարձր ճնշման գոլորշու ընդարձակման պատճառով: Այս դեպքում գոլորշու ջերմության մի մասը վերածվում է մխոցի տեղափոխական կինետիկ էներգիայի: Մխոցի այս տեղափոխական կինետիկ էներգիան այնուհետև վերածվում է պտտվող անիվի պտտական ​​կինետիկ էներգիայի: Կես պտույտ կատարելուց հետո անիվը մխոցը հետ է մղում դեպի ձախ: Երբ անիվը մխոցը հետ է մղում դեպի ձախ, անիվի պտտական ​​կինետիկ էներգիան կրկին վերածվում է մխոցի տեղափոխական կինետիկ էներգիայի: Երբ մխոցը շարժվում է դեպի ձախ, այն դուրս է մղում գլանի մեջ գտնվող գոլորշին: Միաժամանակ բացվում է արտանետման փականը:

Այսպիսով, մխոցի կողմից մղվող գոլորշին իր ընկերուհուն կմղի արտանետման փականի տակ։ Այժմ, եթե արտանետման փականի տակ գտնվող գոլորշու ջերմաստիճանը հավասար է մխոցի կողմից մղվող գոլորշու ջերմաստիճանին, ապա մխոցի ամբողջ տեղափոխական կինետիկ էներգիան կվերածվի գոլորշու ներքին էներգիայի։ Ներքին էներգիան ուղիղ համեմատական ​​է ջերմաստիճանին։ Եթե գոլորշու ներքին էներգիան մեծանում է, գոլորշու ջերմաստիճանը նույնպես մեծանում է։ Ջերմաստիճանը ուղիղ համեմատական ​​է ճնշմանը։ Եթե գոլորշու ջերմաստիճանը մեծանում է, գոլորշու ճնշումը նույնպես մեծանում է։ Այսպիսով, արտանետման փականի միջոցով արտանետվող գոլորշու ճնշումը հավասար է մուտքային փականի միջոցով մտնող գոլորշու ճնշմանը։ Մխոցը կշարունակի անընդհատ շարժվել աջ և ձախ, բայց չի լինի ընդհանուր կինետիկ էներգիա, որը կարող է օգտագործվել (ընդհանուր աշխատանք չի առաջանա)։ Այսպիսով, ընդարձակման գործընթացում մխոցի կողմից ստացված կինետիկ էներգիան (մխոցը շարժվում է դեպի աջ) սեղմման գործընթացում կվերադառնա գոլորշուն (մխոցը շարժվում է դեպի ձախ)։

Եզրակացվում է, որ գոլորշու շարժիչում ջերմաստիճանի տարբերությունը դեռևս անհրաժեշտ է: Գոլորշու շարժիչում այս ջերմաստիճանի տարբերությունը կարելի է ստանալ խտացուցիչի միջոցով: Երբ արտանետման փականի տակ գտնվող գոլորշու ջերմաստիճանը և ճնշումը շատ ավելի ցածր են, քան գլանի մեջ գտնվող գոլորշու ջերմաստիճանը և ճնշումը, ապա երբ մխոցը հետ է շարժվում դեպի ձախ, գոլորշու վրա մխոցի կողմից գործադրվող ճնշման քանակը շատ ավելի փոքր է, քան գոլորշու կողմից մխոցի վրա գործադրվող ճնշման քանակը, երբ մխոցը շարժվում է դեպի աջ: Այլ կերպ ասած, գոլորշու վրա մխոցի կատարած աշխատանքի քանակը շատ ավելի փոքր է, քան գոլորշու կողմից մխոցի վրա կատարած աշխատանքի քանակը: Այսպիսով, մխոցի կինետիկ էներգիայի միայն մի փոքր մասն է վերադարձվում գոլորշուն: Այսպիսով, կստացվի ընդհանուր կինետիկ էներգիա կամ ընդհանուր աշխատանք: Այս ընդհանուր կինետիկ էներգիան օգտագործվում է ինչ-որ բան շարժելու համար:

Ներքին այրման շարժիչ

Մոտոցիկլետի և ավտոմեքենայի շարժիչները ներքին այրման շարժիչների օրինակներ են։ Դրանք կոչվում են ներքին այրման շարժիչներ, քանի որ այրման գործընթացը տեղի է ունենում փակ գլանի ներսում։ Ներքին այրման շարժիչները ադիաբատիկ սեղմման և ընդարձակման հայեցակարգի մշակման արդյունք են, որը բացատրվում է ջերմադինամիկայի առաջին օրենքում ։

Մենք կքննարկենք միայն այն ներքին այրման շարժիչները, որոնք որպես վառելիք օգտագործում են բենզին և դիզելային վառելիք: Բենզինը և դիզելային վառելիքը նավթամթերք են, ուստի ունեն քիմիական պոտենցիալ էներգիա: Բենզինի և դիզելային վառելիքում առկա քիմիական պոտենցիալ էներգիան նախ այրման գործընթացի միջոցով վերածվում է ջերմության: Այրման միջոցով առաջացած ջերմությունը այնուհետև վերածվում է մեխանիկական էներգիայի: Այս մեխանիկական էներգիան է, որը թույլ է տալիս մոտոցիկլետին կամ մեքենային շարժվել: Բենզինային շարժիչի ցիկլը կոչվում է Օտտոյի ցիկլ, իսկ դիզելային շարժիչի ցիկլը՝ դիզելային ցիկլ: Ցիկլը շրջելի թերմոդինամիկ գործընթաց է: Նախ քննարկենք Օտտոյի ցիկլը:

Օտտոյի ցիկլը

Սա չորստակտային ներքին այրման շարժիչի դիագրամ է։ Օդի և բենզինի գոլորշու խառնուրդը կարբյուրատորից հոսում է գլանի մեջ, երբ մխոցը շարժվում է դեպի ներքև (մուտքի հարված)։ Մխոցում գտնվող օդի և բենզինի գոլորշու խառնուրդը այնուհետև սեղմվում է ադիաբատիկորեն, երբ մխոցը շարժվում է դեպի վեր (սեղմման հարված)։ Քանի որ այն սեղմվում է ադիաբատիկորեն, խառնուրդի ջերմաստիճանը և ճնշումը մեծանում են։ Միաժամանակ, կայծային մոմը բռնկում է խառնուրդը՝ այն բռնկելով։ Այրվելիս գազի ջերմաստիճանը և ճնշումը մեծանում են։ Բարձր ջերմաստիճանի, բարձր ճնշման գազը ընդարձակվում է մխոցի դեմ՝ այն մղելով դեպի ներքև (ընդարձակման հարված)։ Այնուհետև այրված գազը արտանետվում է արտանետման փականի միջոցով և ուղղվում դեպի արտանետման խողովակը (արտանետման հարված)։ Ներծծման փականը կրկին բացվում է, և չորս հարվածները կրկնվում են։

Կարևոր է նշել, որ ադիաբատիկ սեղմման հարվածի նպատակը օդ-բենզին գոլորշու խառնուրդի ջերմաստիճանի և ճնշման բարձրացումն է: Բարձր ճնշման տակ այրումը առաջացնում է շատ բարձր ջերմաստիճաններ և ճնշումներ: Հետևաբար, ընդարձակման գործընթացում առաջացող հրող ուժը (F = PA) շատ մեծ է: Սա հանգեցնում է մոտոցիկլետի կամ մեքենայի շարժիչի ավելի հզոր դառնալուն: Նույնիսկ առանց սեղմման, օդ-բենզին գոլորշու խառնուրդը կարող է բռնկվել, երբ կայծային մոմը կայծ է առաջացնում: Այնուամենայնիվ, այրվող գազի ջերմաստիճանը և ճնշումը շատ բարձր չեն, ուստի առաջացող հրող ուժը նույնպես փոքր է: Արդյունքում, շարժիչը դառնում է պակաս հզոր:

Չորստաքային ներքին այրման շարժիչում էներգիայի փոխակերպման և էներգիայի փոխանցման գործընթացը կարելի է բացատրել հետևյալ կերպ. այրման ընթացքում բենզինի քիմիական պոտենցիալ էներգիան և օդի էներգիան վերածվում են ջերմության: Ջերմության մի մասը վերածվում է մեխանիկական էներգիայի մխոցային ձողի և շարժիչի լիսեռի մեջ, իսկ մի մասը՝ արտանետվող խողովակի միջոցով: Մխոցային ձողի և շարժիչի լիսեռի մեխանիկական էներգիայի մեծ մասը վերածվում է մեխանիկական էներգիայի մեքենայի մեջ (շարժելով մեքենան), իսկ մի փոքր մասը՝ ջերմության: Ջերմությունն առաջանում է շփման միջոցով:

Ադիաբատիկ ընդարձակման և սեղմման գործընթացը Օտտոյի ցիկլում կարելի է պատկերել ստորև ներկայացված դիագրամով: Այս դիագրամը ցույց է տալիս բենզինով աշխատող ներքին այրման շարժիչում տեղի ունեցող թերմոդինամիկ պրոցեսների իդեալականացված մոդելը:

Օդի և բենզինի գոլորշու խառնուրդը մտնում է գլան (ա): Այնուհետև օդի և բենզինի գոլորշու խառնուրդը սեղմվում է ադիաբատիկորեն (ա-բ): Նշենք, որ գլանի ծավալը նվազում է: Օդի և բենզինի գոլորշու խառնուրդը տաքացվում է հաստատուն ծավալով, խառնուրդը այրվում է (բ-գ): Այրված գազը ենթարկվում է ադիաբատիկ ընդարձակման (գ-դ): Սառեցում հաստատուն ծավալով, այրված գազը արտանետվում է արտանետման խողովակ, և օդի + բենզինի գոլորշու նոր խառնուրդ է մտնում գլան (դ-ա):

Օդի և բենզինի գոլորշու խառնուրդը մտնում է գլան (ա): Այնուհետև օդի և բենզինի գոլորշու խառնուրդը սեղմվում է ադիաբատիկորեն (ա-բ): Նշենք, որ գլանի ծավալը նվազում է: Օդի և բենզինի գոլորշու խառնուրդը տաքացվում է հաստատուն ծավալով, խառնուրդը այրվում է (բ-գ): Այրված գազը ենթարկվում է ադիաբատիկ ընդարձակման (գ-դ): Սառեցում հաստատուն ծավալով, այրված գազը արտանետվում է արտանետման խողովակ, և օդի + բենզինի գոլորշու նոր խառնուրդ է մտնում գլան (դ-ա):

Դիզելային ցիկլ

Դիզելային շարժիչի աշխատանքի սկզբունքը նման է բենզինային շարժիչին։ Տարբերությունը կայանում է սկզբնական ադիաբատիկ սեղմման փուլում (ադիաբատիկ սեղմում = սեղմում, որն իրականացվում է այնքան արագ, որ ջերմությունը ժամանակ չունի համակարգ մտնելու կամ դուրս գալու։ Այս դեպքում համակարգը գլան է)։ Մինչդեռ բենզինային շարժիչում սեղմվում է օդի և բենզինի գոլորշու խառնուրդը, դիզելային շարժիչում սեղմվում է միայն օդը։ Ադիաբատիկ սեղմումը բարձրացնում է օդի ջերմաստիճանը և ճնշումը։ Հաջորդը, ներարկիչը, որը հայտնի է նաև որպես ներարկիչ, ցողում է դիզելային վառելիքը։ Քանի որ օդի ջերմաստիճանը և ճնշումը արդեն շատ բարձր են, երբ դիզելային վառելիքը ցողվում է գլանի մեջ, դիզելային վառելիքն անմիջապես բռնկվում է։ Մոմ պետք չէ։ Ուշադրություն դարձրեք ստորև բերված դիագրամում ցույց տրված ճնշման արժեքին։ Համեմատեք այն Օտտոյի ցիկլի դիագրամում ցույց տրված ճնշման արժեքի հետ։

Այս դիագրամը ցույց է տալիս դիզելային վառելիքի իդեալական ցիկլը։ Սկզբում օդը սեղմվում է ադիաբատիկորեն (a-b), այնուհետև տաքացվում է հաստատուն ճնշման տակ՝ ներարկիչը ցողում է դիզելային վառելիքը, և տեղի է ունենում այրում (b-c), այրված գազը ենթարկվում է ադիաբատիկ ընդարձակման (c-d), սառչում է հաստատուն ծավալով՝ այրված գազը դուրս է մղվում արտանետման խողովակով, և թարմ օդը մտնում է գլան (d-a):

Վերոնշյալ բացատրության հիման վրա կարելի է եզրակացնել, որ յուրաքանչյուր ջերմային շարժիչ հիմնականում ունի որոշակի աշխատանքային նյութ։ Գոլորշու շարժիչի աշխատանքային նյութը ջուրն է, բենզինային շարժիչի աշխատանքային նյութը՝ օդը և բենզինի գոլորշին, իսկ դիզելային շարժիչի աշխատանքային նյութը՝ օդը և դիզելային վառելիքը։ Աշխատանքային նյութը սովորաբար կլանում է ջերմությունը բարձր ջերմաստիճանում (Q₂H ₎ , կատարում է աշխատանք (W), ապա անջատում է մնացած ջերմությունը ավելի ցածր ջերմաստիճանում (Q₂L ₎ : Քանի որ էներգիան պահպանվում է, ապա Q₂H ₌ W + _Q₂L :

Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը

_{Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը (e) շարժիչի կատարած աշխատանքի (W) և բարձր ջերմաստիճանում մուտքային ջերմության (Q H} ) հարաբերությունն է ։ Մաթեմատիկորեն այն կարելի է գրել հետևյալ կերպ՝

W-ն մեր ստացած շահույթն է, մինչդեռ QH-ն _՝ վառելիք գնելու և այրելու համար մեր կատարած ծախսը։ Որպես մարդիկ, ովքեր միշտ ցանկանում են ստանալ հնարավորինս մեծ շահույթ և հնարավորինս փոքր ծախսեր, մենք իսկապես հույս ունենք, որ մեր ստացած շահույթը (W) համարժեք կլինի մեր կրած ծախսերին (QH): Հնարավո՞ր է դա։

Էներգիայի պահպանման օրենքի համաձայն՝ մուտքային ջերմությունը (Q₂H ₎ պետք է հավասար լինի կատարված աշխատանքին (W) + անջատված ջերմությանը (Q₂L ₎ : Մաթեմատիկորեն՝

Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը տոկոսային հարաբերությամբ արտահայտելու համար պարզապես արդյունավետության հավասարումը բազմապատկեք 100%-ով։ Վերը նշված արդյունավետության հավասարման հիման վրա, որքան շատ ջերմություն է ջերմային շարժիչը անջատում (QL ₎ , այնքան պակաս արդյունավետ է այն։ Մենք շատ կցանկանայինք, որ հնարավորինս քիչ ջերմություն անջատվեր (QL ₎ ։ Սակայն ջերմային մուտքը (QH ₎ սովորաբար ստացվում է նավթի, ածուխի, գազի և այլնի այրմամբ (վառելիքներ, որոնց համար մենք վճարում ենք)։

Հետևաբար, յուրաքանչյուր ջերմային շարժիչ էապես նախագծված է հնարավորինս արդյունավետ լինելու համար: Չնայած մենք ցանկանում ենք առավելագույն օգուտ ստանալ հնարավոր նվազագույն ծախսերով, իրականությունն այն է, որ գոլորշու շարժիչները սովորաբար մոտ 40% արդյունավետություն ունեն, մինչդեռ ներքին այրման շարժիչներինը՝ մոտ 50%: Սա նշանակում է, որ վառելիքի այրման արդյունքում առաջացող ջերմության կեսը վատնվում է: Միայն կեսն է վերածվում մեխանիկական էներգիայի:

Օրինակ հարց 1:

Ջերմային շարժիչը կլանում է 3000 Ջոուլ ջերմություն (Q₂H ₎ , կատարում է աշխատանք (W) և անջատում 2500 Ջոուլ ջերմություն (Q₂L ₎ : Որքա՞ն է ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը:

Քննարկում

Օրինակ հարց 2:

Ջերմային շարժիչը կլանում է 3000 Ջոուլ ջերմություն (Q _H ), կատարում է աշխատանք (W) և անջատում 2000 Ջոուլ ջերմություն (Q _L ): Որքա՞ն է ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը:

Քննարկում

Օրինակ հարց 3:

Ջերմային շարժիչը կլանում է 3000 Ջոուլ ջերմություն (Q _H ), կատարում է աշխատանք (W) և անջատում 1500 Ջոուլ ջերմություն (Q _L ): Որքա՞ն է ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը:

Քննարկում