თერმოდინამიკის მეორე კანონი

სტატია თერმოდინამიკის მეორე კანონის შესახებ

ყველა ბუნებრივად მიმდინარე პროცესი მხოლოდ ერთი მიმართულებით მიმდინარეობს, მაგრამ არ შეიძლება საპირისპირო მიმართულებით მოხდეს, რასაც ჩვეულებრივ შეუქცევად პროცესებს უწოდებენ. ღეროდან გათავისუფლებისა და მიწაზე თავისუფლად დაცემის შემდეგ , მანგო აღარასდროს მოძრაობს ზემოთ. წიგნი, რომელსაც ვაწვებით და შემდეგ ვჩერდებით, აღარასდროს ბრუნდება ჩვენსკენ. თუ მაღალი ტემპერატურის ობიექტს (ცხელ ობიექტს) დაბალი ტემპერატურის ობიექტს (ცივ ობიექტს) შევეხებით, სითბო ბუნებრივად გადავა მაღალი ტემპერატურის ობიექტიდან დაბალი ტემპერატურის ობიექტზე. ჩვენ არასდროს ვხედავთ საპირისპირო პროცესს, სადაც სითბო ბუნებრივად გადადის ცივი ობიექტიდან ცხელ ობიექტზე. თუ ეს პროცესი მოხდებოდა, მაშინ ცივი ობიექტი უფრო ცივი გახდებოდა, ხოლო ცხელი ობიექტი - უფრო ცხელი. სინამდვილეში კი ასე არ არის. არსებობს მრავალი შეუქცევადი პროცესი, რომლებიც ერთმანეთისგან განსხვავდება, მაგრამ ყველა მათგანი გულისხმობს ენერგიის ფორმის ცვლილებებს და ენერგიის ერთი ობიექტიდან მეორეზე გადაცემას.

მაგალითად, ხდება ძლიერი მიწისძვრა, რომელიც იწვევს შენობების ნგრევას (შენობები იშლება მიწისძვრის ტალღების მიერ გადატანილი ენერგიის გამო). გინახავთ ოდესმე, რომ ჩამონგრეული შენობის თითოეული ნაწილი ისევ ერთად იდგას და ისევ ვერტიკალურად იდგას, როგორც ადრე? ან, მაგალითად, ჭიქა იატაკზე ვარდება და იმსხვრევა... გინახავთ ოდესმე, რომ იატაკზე მიმოფანტული მინის ნამსხვრევები ისევ ერთად იდგას და ქმნის ერთ მთლიან ჭიქას, როგორც ადრე? არასდროს მომხდარა... არსებობს სხვა მრავალი მაგალითი.

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 :

სითბო თავისით გადადის მაღალი ტემპერატურის მქონე ობიექტიდან დაბალი ტემპერატურის მქონე ობიექტზე; სითბო თავისით არ გადავა დაბალი ტემპერატურის მქონე ობიექტიდან მაღალი ტემპერატურის მქონე ობიექტზე (თერმოდინამიკის მეორე კანონი - კლაუზიუსის დებულება).

კლაუზიუსის დებულება თერმოდინამიკის მეორე კანონის განსაკუთრებული დებულებაა. მას განსაკუთრებული დებულება ეწოდება, რადგან ის მხოლოდ ერთ პროცესს, კერძოდ, სითბოს გადაცემას ეხება. რადგან ეს დებულება სხვა პროცესებს არ ეხება, ჩვენ უფრო ზოგადი დებულება გვჭირდება. თერმოდინამიკის მეორე კანონის ზოგადი დებულების შემუშავება ნაწილობრივ სითბური ძრავების შესწავლას ეფუძნებოდა. ამიტომ, ჯერ სითბურ ძრავებს განვიხილავთ.

თბოძრავა

ჩვენს მიერ გამოყენებული ენერგიის დიდი ნაწილი ნავთობში, გაზსა და ქვანახშირში შემავალი ქიმიური პოტენციური ენერგიისგან მოდის. ნავთობში, გაზსა და ქვანახშირში შემავალი ქიმიური პოტენციური ენერგიის პირდაპირ გამოყენება შეუძლებელია. ჯერ ნავთობი, გაზი ან ქვანახშირი უნდა დაიწვას. როგორც წესი, წიაღისეული საწვავის (ნავთობის, გაზის და ქვანახშირის) წვა სითბოს წარმოქმნის. სითბო შეიძლება პირდაპირ გამოყენებულ იქნას საკვების მოსამზადებლად და ოთახის გასათბობად. რაღაცის გადასაადგილებლად (მაგალითად, სატრანსპორტო საშუალების გადასაადგილებლად), სითბო კინეტიკურ ენერგიად ან მექანიკურ ენერგიად უნდა გადავაქციოთ (მექანიკური ენერგია = პოტენციური ენერგია + კინეტიკური ენერგია). მექანიკური ენერგიის სითბოდ გარდაქმნა ძალიან მარტივი საქმეა, მაგრამ სითბოს მექანიკურ ენერგიად გარდაქმნა რთულია. სცადეთ ხელისგულების ერთმანეთზე გახეხვა... თქვენი ხელისგულები ცხელია, არა? როდესაც ხელისგულებს ერთმანეთზე ვახეხავთ (მუშაობას ვასრულებთ), მექანიკური ენერგია სითბოდ გარდაიქმნება. პროცესი ძალიან მარტივია... მუშაობის შესრულებით უსასრულო სითბოს წარმოქმნაც კი შეიძლება. მაგრამ საპირისპირო პროცესი, კერძოდ, სითბოს გამოყენება მუშაობის შესასრულებლად, რთულია.

სითბოს სამუშაოს შესასრულებლად გამოყენებული მოწყობილობა მხოლოდ 1700 წელს გამოიგონეს. საქმე ორთქლის ძრავას ეხებოდა. ორთქლის ძრავები პირველად ნახშირის მაღაროებიდან წყლის ამოტუმბვისთვის გამოიყენეს. მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ორთქლის ძრავების პირველი გამოყენება მანამ მოხდა, სანამ მეცნიერები გაიგებდნენ, რომ სითბო სინამდვილეში ტემპერატურული სხვაობის გამო გადაცემული ენერგიაა (თერმოდინამიკის პირველი კანონი ჯერ არ იყო ჩამოყალიბებული).

იმ დროს ორთქლის ძრავების გამოყენება, სავარაუდოდ, ყოველდღიური გამოცდილებიდან გამომდინარეობდა, რომელიც აჩვენებდა, რომ ორთქლს შეეძლო საგნების გადაადგილება. ორთქლის ძრავები სითბურ ძრავებად ითვლება (სითბური ძრავა = მოწყობილობა, რომელიც სითბოს მექანიკურ ენერგიად გარდაქმნის). დღეს ორთქლის ძრავები ელექტროენერგიის გენერირებისთვის გამოიყენება. თანამედროვე სითბური ძრავები არის შიდა წვის ძრავები (მანქანის ძრავები, მოტოციკლის ძრავები და ა.შ.).

სითბური ძრავის გამოყენების ძირითადი იდეა ის არის, რომ სითბოს მექანიკურ ენერგიად გარდაქმნა მხოლოდ იმ შემთხვევაშია შესაძლებელი, თუ მას მაღალი ტემპერატურის რეგიონიდან დაბალი ტემპერატურის რეგიონში გადასვლის საშუალება მიეცემა. ამ პროცესის დროს სითბოს ნაწილი მექანიკურ ენერგიად გარდაიქმნება (სითბოს ნაწილი სამუშაოს შესასრულებლად გამოიყენება), ხოლო სითბოს ნაწილი დაბალი ტემპერატურის რეგიონში გადადის. სითბურ ძრავში ენერგიის გარდაქმნისა და გადაცემის პროცესი დიაგრამაზეა ნაჩვენები.

მაღალი ტემპერატურა (T_H) და დაბალი ტემპერატურა (T_L) ასევე ძრავის მუშაობის ტემპერატურას უწოდებენ. მაღალი ტემპერატურის მქონე ადგილიდან გამომავალ სითბოს ენიჭება სიმბოლო Q._H, ხოლო დაბალი ტემპერატურის მქონე ადგილას გამოთავისუფლებულ სითბოს ენიჭება სიმბოლო Q._L. მაღალი ტემპერატურის ადგილიდან დაბალი ტემპერატურის ადგილას გადაადგილებისას, გარკვეული Q_H გარდაიქმნება მექანიკურ ენერგიად (გამოიყენება სამუშაოს შესასრულებლად), მისი ნაწილი გამოიყოფა Q-ს სახით_Lსინამდვილეში, ჩვენ ნამდვილად ვიმედოვნებთ, რომ ყველა Q_H შეიძლება გარდაიქმნას W-ში, მაგრამ ყოველდღიური გამოცდილება აჩვენებს, რომ ეს შეუძლებელია. ყოველთვის იკარგება გარკვეული სითბო. ამრიგად, ენერგიის შენახვის კანონის საფუძველზე, შეიძლება დავასკვნათ, რომ Q_H = W + Q_L.

ახლა განვიხილოთ სითბოს მექანიკურ ენერგიად გარდასაქმნელად გამოყენებული სითბური ძრავა. მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ჩვენ მხოლოდ ისეთ სითბურ ძრავებს განვიხილავთ, რომლებიც უწყვეტ მუშაობას ასრულებენ. იმისათვის, რომ მუშაობა უწყვეტად შესრულდეს, სითბო უწყვეტად უნდა მიედინებოდეს მაღალი ტემპერატურის რეგიონიდან დაბალი ტემპერატურის რეგიონში. თუ სითბო მხოლოდ ერთხელ მიედინება, სითბური ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაოც მხოლოდ ერთხელ შესრულდება (წარმოებული მექანიკური ენერგია ძალიან მცირე იქნება). ამიტომ, სითბური ძრავის ოპტიმალურად გამოყენება შეუძლებელია. სითბური ძრავის ოპტიმალურად გამოყენება შესაძლებელია, თუ ის უწყვეტად ასრულებს მუშაობას. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, სითბური ძრავის მიერ წარმოებული მექანიკური ენერგია საკმარისია რაღაცის გადასაადგილებლად.

ორთქლის ძრავა

ორთქლის ძრავები სითბოს გადამცემ საშუალებად წყლის ორთქლს იყენებენ. ორთქლს ორთქლის ძრავის სამუშაო ნივთიერებას უწოდებენ. ორთქლის ძრავების ორი ტიპი არსებობს: დგუშიანი ორთქლის ძრავები და ტურბინული ორთქლის ძრავები (ორთქლის ტურბინები). მათი დიზაინი ოდნავ განსხვავდება, მაგრამ ორივე ტიპს მსგავსება აქვს: ისინი იყენებენ ორთქლს, რომელიც გაცხელებულია ნავთობის, გაზის, ნახშირის ან ბირთვული ენერგიის წვით.

ორმხრივი ტიპის ორთქლის ძრავა

ჭურჭელში წყალი, როგორც წესი, მაღალი წნევის ქვეშ თბება. რადგან ის მაღალი წნევის ქვეშ თბება, დუღილის პროცესი მაღალ ტემპერატურაზე მიმდინარეობს. ტემპერატურა წნევის პირდაპირპროპორციულია. რაც უფრო მაღალია ორთქლის ტემპერატურა, მით უფრო მაღალია ორთქლის წნევა. ეს მაღალი ტემპერატურის ან მაღალი წნევის ორთქლი მოძრაობს შესასვლელი სარქველის გავლით და ფართოვდება დგუშის საწინააღმდეგოდ. გაფართოებისას ორთქლი დგუშს უბიძგებს, რაც იწვევს მის მარჯვნივ გადაადგილებას.

ორთქლში არსებული სითბოს ნაწილი კინეტიკურ ენერგიად გარდაიქმნება. როდესაც დგუში მარჯვნივ მოძრაობს, დგუშთან დაკავშირებული ბორბალი ბრუნავს (1). ნახევარი ბრუნვის შემდეგ, ბორბალი დგუშს თავდაპირველ პოზიციაზე უბრუნებს (2). როდესაც დგუში მარცხნივ მოძრაობს, შესასვლელი სარქველი ავტომატურად იხურება, ხოლო გამომშვები სარქველი ავტომატურად იხსნება. ორთქლი კონდენსატორის მიერ კონდენსირდება და ნამად გარდაიქმნება. შემდეგ, კონდენსატორში არსებული წყალი ისევ ჭურჭელში იტუმბება, რათა ხელახლა ადუღდეს. და ა.შ. რადგან პროცესი განმეორებით მეორდება, დგუში განუწყვეტლივ მოძრაობს მარჯვნივ და მარცხნივ. რადგან დგუში განუწყვეტლივ მოძრაობს მარჯვნივ და მარცხნივ, ბორბალიც განუწყვეტლივ ბრუნავს. ბორბლის ბრუნვა, როგორც წესი, რაღაცის გადასაადგილებლად გამოიყენება.

ორთქლის ტურბინა

ორთქლის ტურბინის მუშაობის პრინციპი არსებითად იგივეა, რაც ორმხრივი ორთქლის ძრავისა. განსხვავება ისაა, რომ ორმხრივი ორთქლის ძრავა იყენებს დგუშს, ხოლო ორთქლის ტურბინა - ტურბინას. ორმხრივ ორთქლის ძრავში სითბო თავდაპირველად გარდაიქმნება დგუშის ტრანსლაციურ კინეტიკურ ენერგიად. ამის შემდეგ, დგუშის ტრანსლაციური კინეტიკური ენერგია გარდაიქმნება მბრუნავი ბორბლის ბრუნვის კინეტიკურ ენერგიად. ორთქლის ტურბინაში სითბო პირდაპირ გარდაიქმნება ტურბინის ბრუნვის კინეტიკურ ენერგიად. ტურბინას შეუძლია ბრუნვა წნევის სხვაობის გამო. პირზე ზემოთ ორთქლის ტემპერატურა გაცილებით მაღალია, ვიდრე პირზე ქვემოთ ორთქლის ტემპერატურა. პირი არის თხელი ფირფიტა, რომელიც მდებარეობს ტურბინის ცენტრში. ტემპერატურა პირდაპირპროპორციულია წნევისა. რადგან პირზე ზემოთ ორთქლის ტემპერატურა უფრო მაღალია, ვიდრე პირზე ქვემოთ ორთქლის ტემპერატურა, პირზე ზემოთ ორთქლის წნევა აღემატება პირზე ქვემოთ წნევას. წნევის ეს სხვაობა იწვევს ორთქლის მიერ პირზე ქვევით წევას, რაც იწვევს ტურბინის ბრუნვას. ტურბინის ბრუნვის მიმართულება ნაჩვენებია ნახაზზე.

მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ორთქლის ძრავის მუშაობის პრინციპი ეფუძნება ზემოთ ახსნილ ენერგიის გადაცემის დიაგრამას. ამ შემთხვევაში, მექანიკური ენერგიის გენერირება შესაძლებელია სითბოს მაღალი ტემპერატურის მქონე ობიექტიდან ან ადგილიდან დაბალი ტემპერატურის მქონე ობიექტზე ან ადგილას გადასვლით. ამიტომ, ორთქლის ძრავაში ტემპერატურული სხვაობა აუცილებელია.

თუ ყურადღებას მიაქცევთ ორმხრივი ორთქლის ძრავის მუშაობას, შეამჩნევთ, რომ დგუშს შეუძლია მარცხნივ და მარჯვნივ მოძრაობა, მაშინაც კი, თუ ტემპერატურული სხვაობა არ არის (კონდენსატორი ან ტუმბო არ არის). დგუშნს შეუძლია მარჯვნივ მოძრაობა მაღალი ტემპერატურის ან მაღალი წნევის ორთქლის გაფართოების გამო. ამ შემთხვევაში, ორთქლში არსებული სითბოს ნაწილი გარდაიქმნება დგუშის ტრანსლაციურ კინეტიკურ ენერგიად. დგუშის ეს ტრანსლაციური კინეტიკური ენერგია შემდეგ გარდაიქმნება მბრუნავი ბორბლის ბრუნვის კინეტიკურ ენერგიად. ნახევარი ბრუნვის დასრულების შემდეგ, ბორბალი დგუშს უკან მარცხნივ უბიძგებს. როდესაც ბორბალი დგუშს უკან მარცხნივ უბიძგებს, ბორბლის ბრუნვის კინეტიკური ენერგია კვლავ გარდაიქმნება დგუშის ტრანსლაციურ კინეტიკურ ენერგიად. როდესაც დგუში მარცხნივ მოძრაობს, ის ცილინდრში ორთქლს გამოდევნის. ამავდროულად, გამონაბოლქვი სარქველი იხსნება.

ამგვარად, დგუშის მიერ გამოწვეული ორთქლი თავის მეგობარს გამომშვები სარქვლის ქვეშ გაატარებს. ახლა, თუ გამომშვები სარქვლის ქვემოთ ორთქლის ტემპერატურა დგუშის მიერ გამოწვეული ორთქლის ტემპერატურის ტოლია, მაშინ დგუშის მთელი გადატანითი კინეტიკური ენერგია ისევ ორთქლის შინაგან ენერგიად გარდაიქმნება. შინაგანი ენერგია ტემპერატურის პირდაპირპროპორციულია. თუ ორთქლის შინაგანი ენერგია იზრდება, ორთქლის ტემპერატურაც იზრდება. ტემპერატურა წნევის პირდაპირპროპორციულია. თუ ორთქლის ტემპერატურა იზრდება, ორთქლის წნევაც იზრდება. ამრიგად, გამომშვები სარქვლის მეშვეობით გამოყოფილი ორთქლის წნევა ტოლია შესასვლელი სარქვლის მეშვეობით შემავალი ორთქლის წნევის. დგუში გააგრძელებს უწყვეტად მოძრაობას მარჯვნივ და მარცხნივ, მაგრამ არ იქნება სრული კინეტიკური ენერგია, რომლის გამოყენებაც შესაძლებელი იქნება (საერთო მუშაობა არ წარმოიქმნება). ამიტომ, გაფართოების პროცესში დგუშის მიერ მიღებული კინეტიკური ენერგია (დგუში მარჯვნივ მოძრაობს) შეკუმშვის პროცესში ორთქლს დაუბრუნდება (დგუში მარცხნივ მოძრაობს).

დაასკვნეს, რომ ორთქლის ძრავში ტემპერატურული სხვაობა მაინც აუცილებელია. ორთქლის ძრავში ამ ტემპერატურული სხვაობის მიღწევა შესაძლებელია კონდენსატორის გამოყენებით. როდესაც გამონაბოლქვი სარქვლის ქვემოთ ორთქლის ტემპერატურა და წნევა გაცილებით დაბალია, ვიდრე ცილინდრში ორთქლის ტემპერატურა და წნევა, მაშინ როდესაც დგუში მარცხნივ მოძრაობს, დგუშის მიერ ორთქლზე მოქმედი წნევის რაოდენობა გაცილებით ნაკლებია, ვიდრე ორთქლის მიერ დგუშზე მარჯვნივ გადაადგილებისას განხორციელებული წნევის რაოდენობა. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, დგუშის მიერ ორთქლზე შესრულებული სამუშაოს რაოდენობა გაცილებით ნაკლებია, ვიდრე ორთქლის მიერ დგუშზე შესრულებული სამუშაოს რაოდენობა. ამიტომ, დგუშის კინეტიკური ენერგიის მხოლოდ მცირე ნაწილი უბრუნდება ორთქლს. ამრიგად, წარმოიქმნება სრული კინეტიკური ენერგია ან სრული სამუშაო. ეს სრული კინეტიკური ენერგია გამოიყენება რაღაცის გადასაადგილებლად.

შიდა წვის ძრავა

მოტოციკლეტისა და ავტომობილის ძრავები შიდა წვის ძრავების მაგალითებია. მათ შიდა წვის ძრავებს უწოდებენ, რადგან წვის პროცესი დახურულ ცილინდრში მიმდინარეობს. შიდა წვის ძრავები ადიაბატური შეკუმშვისა და გაფართოების კონცეფციის ინჟინერიის შედეგია, რომელიც თერმოდინამიკის პირველ კანონშია ახსნილი.

ჩვენ განვიხილავთ მხოლოდ იმ შიდა წვის ძრავებს, რომლებიც საწვავად ბენზინს და დიზელს იყენებენ. ბენზინი და დიზელი ნავთობპროდუქტებია და, შესაბამისად, ქიმიური პოტენციური ენერგია აქვთ. ბენზინსა და დიზელში არსებული ქიმიური პოტენციური ენერგია წვის პროცესის მეშვეობით თავდაპირველად სითბოდ გარდაიქმნება. წვის შედეგად წარმოქმნილი სითბო შემდეგ მექანიკურ ენერგიად გარდაიქმნება. ეს მექანიკური ენერგია მოტოციკლის ან მანქანის მოძრაობის საშუალებას იძლევა. ბენზინის ძრავში ციკლს ოტოს ციკლი ეწოდება, ხოლო დიზელის ძრავში - დიზელის ციკლი. ციკლი შექცევადი თერმოდინამიკური პროცესია. ჯერ ოტოს ციკლი განვიხილოთ.

ოტოს ციკლი

ეს არის ოთხტაქტიანი შიგაწვის ძრავის დიაგრამა. კარბურატორიდან ცილინდრში ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ნარევი მიედინება დგუშის ქვევით მოძრაობისას (შემშვები ციკლი). ცილინდრში ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ნარევი შემდეგ ადიაბატურად იკუმშება დგუშის ზევით მოძრაობისას (შეკუმშვის ციკლი). რადგან ის ადიაბატურად იკუმშება, ნარევის ტემპერატურა და წნევა იზრდება. ამავდროულად, სანთელი აალებს ნარევს, რითაც აალდება იგი. წვისას, აირის ტემპერატურა და წნევა იზრდება. მაღალი ტემპერატურისა და წნევის აირი ფართოვდება დგუშზე და ქვევით უბიძგებს მას (გაფართოების ციკლი). შემდეგ დამწვარი აირი გამოიყოფა გამონაბოლქვი სარქვლის მეშვეობით და მიმართულია გამონაბოლქვი მილისკენ (გამონაბოლქვი ციკლი). შემშვები სარქველი კვლავ იხსნება და ოთხი ციკლი მეორდება.

მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ადიაბატური შეკუმშვის დარტყმის მიზანია ჰაერ-ბენზინის ორთქლის ნარევის ტემპერატურისა და წნევის გაზრდა. მაღალი წნევის დროს წვა ძალიან მაღალ ტემპერატურასა და წნევას წარმოქმნის. შესაბამისად, გაფართოების პროცესის დროს წარმოქმნილი ბიძგი (F = PA) ძალიან დიდია. ეს იწვევს მოტოციკლის ან ავტომობილის ძრავის სიმძლავრის ზრდას. შეკუმშვის გარეშეც კი, ჰაერ-ბენზინის ორთქლის ნარევი შეიძლება აალდეს, როდესაც სანთელი ნაპერწკალს წარმოქმნის. თუმცა, წვის შედეგად მიღებული აირის ტემპერატურა და წნევა არც ისე მაღალია, ამიტომ მიღებული ბიძგიც მცირეა. შედეგად, ძრავა ნაკლებად ძლიერი ხდება.

ოთხტაქტიან შიგაწვის ძრავში ენერგიის გარდაქმნისა და გადაცემის პროცესი შეიძლება აიხსნას შემდეგნაირად: წვის დროს ბენზინში არსებული ქიმიური პოტენციური ენერგია და ჰაერში არსებული ენერგია სითბოდ გარდაიქმნება. სითბოს ნაწილი დგუშის ღეროსა და მუხლა ლილვში მექანიკურ ენერგიად გარდაიქმნება, ნაწილი კი გამონაბოლქვი მილის მეშვეობით გამოიყოფა. დგუშის ღეროსა და მუხლა ლილვში არსებული მექანიკური ენერგიის უმეტესი ნაწილი მექანიკურ ენერგიად გარდაიქმნება ავტომობილში (მანქანის მოძრაობაში), ხოლო მცირე ნაწილი სითბოდ გარდაიქმნება. სითბო წარმოიქმნება ხახუნის შედეგად.

ოტოს ციკლში ადიაბატური გაფართოებისა და შეკუმშვის პროცესის ილუსტრირება შესაძლებელია ქვემოთ მოცემული დიაგრამით. ეს დიაგრამა გვიჩვენებს ბენზინზე მომუშავე შიდა წვის ძრავში მიმდინარე თერმოდინამიკური პროცესების იდეალიზებულ მოდელს.

ცილინდრში (ა) შედის ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ნარევი. შემდეგ ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ნარევი ადიაბატურად შეკუმშულია (ა-ბ). გაითვალისწინეთ, რომ ცილინდრის მოცულობა მცირდება. ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ნარევი თბება მუდმივი მოცულობით - ნარევი იწვის (ბ-გ). დამწვარი აირი განიცდის ადიაბატურ გაფართოებას (გ-დ). გაგრილება მუდმივი მოცულობით - დამწვარი აირი გამოიყოფა გამონაბოლქვი მილში და ცილინდრში შედის ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ახალი ნარევი (დ-ა).

ცილინდრში (ა) შედის ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ნარევი. შემდეგ ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ნარევი ადიაბატურად შეკუმშულია (ა-ბ). გაითვალისწინეთ, რომ ცილინდრის მოცულობა მცირდება. ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ნარევი თბება მუდმივი მოცულობით - ნარევი იწვის (ბ-გ). დამწვარი აირი განიცდის ადიაბატურ გაფართოებას (გ-დ). გაგრილება მუდმივი მოცულობით - დამწვარი აირი გამოიყოფა გამონაბოლქვი მილში და ცილინდრში შედის ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ახალი ნარევი (დ-ა).

დიზელის ციკლი

დიზელის ძრავის მუშაობის პრინციპი ბენზინის ძრავის მუშაობის პრინციპის მსგავსია. განსხვავება მდგომარეობს საწყის ადიაბატურ შეკუმშვის საფეხურში (ადიაბატური შეკუმშვა = შეკუმშვა, რომელიც იმდენად სწრაფად ხორციელდება, რომ სითბოს არ აქვს დრო, რომ სისტემაში შევიდეს ან გამოვიდეს. ამ შემთხვევაში სისტემა ცილინდრია). ბენზინის ძრავში შეკუმშული არის ჰაერისა და ბენზინის ორთქლის ნარევი, დიზელის ძრავში მხოლოდ ჰაერი იკუმშება. ადიაბატური შეკუმშვა იწვევს ჰაერის ტემპერატურისა და წნევის მატებას. შემდეგ, ინჟექტორი, იგივე ინჟექტორი, აფრქვევს დიზელს. რადგან ჰაერის ტემპერატურა და წნევა ისედაც ძალიან მაღალია, როდესაც დიზელი ცილინდრში შეასხურება, დიზელი მაშინვე აალდება. სანთელი საჭირო არ არის. ყურადღება მიაქციეთ ქვემოთ მოცემულ დიაგრამაზე მოცემულ წნევის მნიშვნელობას. შეადარეთ იგი ოტოს ციკლის დიაგრამაზე ნაჩვენებ წნევის მნიშვნელობას.

ეს დიაგრამა ასახავს იდეალურ დიზელის ციკლს. თავდაპირველად, ჰაერი ადიაბატურად იკუმშება (a-b), შემდეგ თბება მუდმივი წნევით - ინჟექტორი ასხურებს დიზელს და ხდება წვა (b-c), დამწვარი აირი განიცდის ადიაბატურ გაფართოებას (c-d), ცივდება მუდმივი მოცულობით - დამწვარი აირი გამოიდევნება გამონაბოლქვი მილის მეშვეობით და სუფთა ჰაერი შედის ცილინდრში (d-a).

ზემოთ მოყვანილი ახსნის საფუძველზე, შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ თითოეულ სითბურ ძრავას ძირითადად აქვს კონკრეტული სამუშაო ნივთიერება. ორთქლის ძრავის სამუშაო ნივთიერებაა წყალი, ბენზინის ძრავის სამუშაო ნივთიერებაა ჰაერი და ბენზინის ორთქლი, ხოლო დიზელის ძრავის სამუშაო ნივთიერებაა ჰაერი და დიზელი. სამუშაო ნივთიერება, როგორც წესი, შთანთქავს სითბოს მაღალ ტემპერატურაზე (Q _H ), ასრულებს მუშაობას (W ), შემდეგ კი გამოყოფს დარჩენილ სითბოს დაბალ ტემპერატურაზე (Q _L ). რადგან ენერგია შენარჩუნებულია, მაშინ Q _H = W + Q _L.

სითბური ძრავის ეფექტურობა

_{სითბური ძრავის ეფექტურობა (e) არის ძრავის მიერ შესრულებულ სამუშაოს (W) და მაღალ ტემპერატურაზე შეყვანილ სითბოს (Q H} ) ფარდობა . მათემატიკურად, ის შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:

W არის ჩვენს მიერ მიღებული მოგება, ხოლო QH _არის საწვავის შეძენისა და დაწვის ხარჯი. როგორც ადამიანები, რომლებსაც ყოველთვის სურთ მაქსიმალური მოგების მიღება და მინიმალური დანახარჯების მიღება, ჩვენ ნამდვილად ვიმედოვნებთ, რომ ჩვენს მიერ მიღებული მოგება (W) შეესაბამება ჩვენს მიერ გაღებულ ხარჯებს (QH). შესაძლებელია ეს?

ენერგიის შენახვის კანონის საფუძველზე, შემავალი სითბო (Q _H ) უნდა იყოს ტოლი შესრულებული სამუშაოსა (W) + გამოყოფილი სითბოსი (Q _L ). მათემატიკურად:

თბოძრავის ეფექტურობის პროცენტულად გამოსახატავად, უბრალოდ გაამრავლეთ ეფექტურობის განტოლება 100%-ზე. ზემოთ მოცემული ეფექტურობის განტოლების საფუძველზე, რაც უფრო მეტ სითბოს გამოიდევნება (QL ), მით უფრო ნაკლებად ეფექტურია ის. ჩვენ ძალიან გვსურს, რომ რაც შეიძლება ნაკლები სითბო გამოიდევნოს (QL) _. თუმცა, სითბოს შეტანა (QH _{) ჩვეულებრივ მიიღება ნავთობის, ქვანახშირის, გაზის და ა.შ. (საწვავი ,} რომლისთვისაც ჩვენ ვიხდით ფულს) დაწვით.

ამიტომ, ყველა სითბური ძრავა არსებითად შექმნილია ისე, რომ იყოს მაქსიმალურად ეფექტური. მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენ გვსურს მაქსიმალური სარგებელი მინიმალური დანახარჯებით, რეალობა ისაა, რომ ორთქლის ძრავების ეფექტურობა, როგორც წესი, დაახლოებით 40%-ია, ხოლო შიდა წვის ძრავების - დაახლოებით 50%. ეს ნიშნავს, რომ საწვავის წვის შედეგად წარმოქმნილი სითბოს ნახევარი იკარგება. მხოლოდ ნახევარი გარდაიქმნება მექანიკურ ენერგიად.

მაგალითი კითხვა 1:

სითბური ძრავა შთანთქავს 3000 ჯოულ სითბოს (Q _H ), ასრულებს მუშაობას (W) და გამოყოფს 2500 ჯოულ სითბოს (Q _L ). რა არის სითბური ძრავის ეფექტურობა?

დისკუსია

მაგალითი კითხვა 2:

სითბური ძრავა შთანთქავს 3000 ჯოულ სითბოს (Q _H ), ასრულებს მუშაობას (W ) და გამოყოფს 2000 ჯოულ სითბოს (Q _L ). რა არის სითბური ძრავის ეფექტურობა?

დისკუსია

მაგალითი კითხვა 3:

სითბური ძრავა შთანთქავს 3000 ჯოულ სითბოს (Q _H ), ასრულებს მუშაობას (W ) და გამოყოფს 1500 ჯოულ სითბოს (Q _L ). რა არის სითბური ძრავის ეფექტურობა?

დისკუსია