ដើម្បីស្វែងយល់ពីរបៀបបង្កើនប្រសិទ្ធភាពនៃ ម៉ាស៊ីនកំដៅ អ្នកវិទ្យាសាស្ត្រជនជាតិបារាំងម្នាក់ឈ្មោះ សាឌី កាណូត (១៧៩៦-១៨៣២) បានពិនិត្យមើលម៉ាស៊ីនកាឡូរីទ្រឹស្តីដ៏ល្អមួយក្នុងឆ្នាំ ១៨២៤។ នៅពេលនោះ ច្បាប់ទីមួយនៃទែរម៉ូឌីណាមិកមិនទាន់ត្រូវបានបង្កើតឡើងនៅឡើយទេ ហើយក៏មិនទាន់មានច្បាប់ទីពីរនៃទែរម៉ូឌីណាមិកដែរ។ ច្បាប់ទីមួយមិនទាន់ត្រូវបានបង្កើតឡើងនៅឡើយទេ ពីព្រោះអ្នកវិទ្យាសាស្ត្រមិនទាន់ដឹងថាកំដៅគឺជាថាមពល។ បន្ទាប់ពីជូល និងសហការីរបស់គាត់បានពិសោធន៍នៅក្នុងទសវត្សរ៍ឆ្នាំ ១៨៣០ អ្នកវិទ្យាសាស្ត្របានរកឃើញថាកំដៅគឺជាថាមពលដែលផ្លាស់ទីដោយសារតែភាពខុសគ្នានៃសីតុណ្ហភាព។ ដូច្នេះ ច្បាប់ទីមួយនៃទែរម៉ូឌីណាមិកត្រូវបានបង្កើតឡើងបន្ទាប់ពីឆ្នាំ ១៨៣០។ សាឌី កាណូត បានស្រាវជ្រាវម៉ាស៊ីនកាឡូរីទ្រឹស្តីដ៏ល្អក្នុងឆ្នាំ ១៨២៤។ ការស្រាវជ្រាវរបស់គាត់គឺដើម្បីបង្កើនប្រសិទ្ធភាពនៃម៉ាស៊ីនចំហាយទឹក។ ម៉ាស៊ីនចំហាយភាគច្រើននៅសម័យនោះមានប្រសិទ្ធភាពតិចជាង។
វដ្តនៅលើម៉ាស៊ីនកំដៅដ៏ល្អនៃគំនិតរបស់ Sadi Carnot ត្រូវបានគេហៅថាវដ្ត Carnot។ មុនពេលរៀនវដ្ត Carnot យើងបានយល់ពីដំណើរការដែលមិនអាចត្រឡប់វិញបានម្តងទៀត។ រាល់ដំណើរការនៃការផ្លាស់ប្តូរថាមពល និងការផ្ទេរថាមពលកើតឡើងដោយមិនអាចត្រឡប់វិញបាន។ ឧទាហរណ៍ យើងត្រដុសដៃដើម្បីឱ្យដៃមានភាពកក់ក្តៅ។ កំដៅត្រូវបានបង្កើតតាមរយៈការងារដែលយើងធ្វើ។ ដំណើរការនេះមិនអាចត្រឡប់វិញបានទេ។ កំដៅមិនអាចត្រដុសដៃបានទេ។
គោលបំណងនៃម៉ាស៊ីនកំដៅគឺដើម្បីបញ្ច្រាសដំណើរការមួយចំនួននេះ ដែលកំដៅអាចត្រូវបានប្រើប្រាស់ដើម្បីអនុវត្តការងារដោយមានប្រសិទ្ធភាពខ្ពស់បំផុត។ ដើម្បីឱ្យ ម៉ាស៊ីនកំដៅ មានប្រសិទ្ធភាពអតិបរមា នោះយើងត្រូវតែជៀសវាងដំណើរការដែលមិនអាចត្រឡប់វិញបានទាំងអស់។ ការផ្ទេរកំដៅគឺមិនអាចត្រឡប់វិញបានដោយធម្មជាតិ ដូច្នេះចលនានៃកំដៅមិនគួរកើតឡើងទេ។
នៅពេលដែលម៉ាស៊ីនទទួលយកកំដៅ (Q₂H₄ ) នៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ (T₂H₄ ) សារធាតុរាវធ្វើការនៅក្នុងម៉ាស៊ីនក៏ត្រូវតែមាន សីតុណ្ហភាព T₂H₄ ផងដែរ ។ ស្រដៀងគ្នានេះដែរ ប្រសិនបើម៉ាស៊ីនបញ្ចេញ កំដៅ Q₂H₄ នៅសីតុណ្ហភាពទាប (T₂L₄ ) សារធាតុរាវធ្វើការនៅក្នុងម៉ាស៊ីនក៏ត្រូវតែមាន សីតុណ្ហភាព T₂H₄ ផងដែរ ។ ដូច្នេះ ដំណើរការណាមួយដែលពាក់ព័ន្ធនឹងការផ្ទេរកំដៅត្រូវតែមានលក្ខណៈអ៊ីសូទែម (សីតុណ្ហភាពដូចគ្នា)។ ផ្ទុយទៅវិញ ប្រសិនបើសីតុណ្ហភាពនៃស្នាដៃនៅក្នុងម៉ាស៊ីនស្ថិតនៅចន្លោះ T₂H₄ និង T₂L₄ នោះ ការផ្ទេរកំដៅនឹងមិនមានរវាងម៉ាស៊ីនដែលមានកន្លែងដែលមាន សីតុណ្ហភាព T₂H₄ (អ្នកផ្គត់ផ្គង់កំដៅ) និងតំបន់ដែលមាន សីតុណ្ហភាព T₂H₄ (ការបញ្ចេញកំដៅ) នោះទេ។ ដោយសារកំដៅមិនផ្លាស់ទីទេ នោះដំណើរការត្រូវតែធ្វើឡើងដោយអាឌីអាបាទីក។
វដ្ត Carnot មានដំណើរការអ៊ីសូទែម័រដែលអាចបញ្ច្រាស់បានពីរ និងដំណើរការអាឌីអាបាទិកដែលអាចបញ្ច្រាស់បានពីរ។
រូបភាពនៅចំហៀងគឺជាវដ្ត Carnot ពីស្តុងសម្រាប់ឧស្ម័នដ៏ល្អមួយ។ ដំបូង កំដៅត្រូវបានស្រូបយកក្នុងអំឡុងពេលពង្រីកអ៊ីសូទែម (ab)។ ក្នុងអំឡុងពេលពង្រីកអ៊ីសូទែម សីតុណ្ហភាពឧស្ម័ននៅក្នុងស៊ីឡាំងត្រូវបានរក្សាឱ្យថេរ។
បន្ទាប់មក ឧស្ម័នពង្រីកដោយអាឌីអាបាទីក ដូច្នេះសីតុណ្ហភាពធ្លាក់ចុះពី TH ដល់ TH ( bc)។ TH = សីតុណ្ហភាពខ្ពស់ TH = សីតុណ្ហភាពទាប។ ក្នុងអំឡុងពេលពង្រីកដោយអាឌីអាបាទីក គ្មានកំដៅចូល ឬចេញពីស៊ីឡាំងទេ។ បន្ទាប់មក ឧស្ម័នត្រូវបានសង្កត់ដោយអ៊ីសូទែរម៉ាល់ (cd)។ ក្នុងអំឡុងពេលសង្កត់ដោយអ៊ីសូទែរម៉ាល់ សីតុណ្ហភាពឧស្ម័នត្រូវបានរក្សាឱ្យនៅថេរ។ បន្ទាប់មក ឧស្ម័នត្រូវបានសង្កត់ដោយអាឌីអាបាទីក (da)។ ដោយសារតែវាត្រូវបានបង្ក្រាបដោយអាឌីអាបាទីក សីតុណ្ហភាពឧស្ម័នកើនឡើង។ សីតុណ្ហភាពនៃឧស្ម័នកើនឡើង ដូច្នេះសម្ពាធឧស្ម័នក៏កើនឡើងផងដែរ។ ដំណើរការទាំងមូលនៅក្នុងវដ្ត Carnot អាចត្រឡប់វិញបាន។
ក្នុងអំឡុងពេលនៃការពង្រីកអ៊ីសូទែម័រ និងការចុចអ៊ីសូទែម័រ សីតុណ្ហភាពឧស្ម័នត្រូវបានរក្សាឱ្យនៅថេរ។ គោលដៅគឺដើម្បីជៀសវាងភាពខុសគ្នានៃសីតុណ្ហភាព។ អត្ថិភាពនៃភាពខុសគ្នានៃសីតុណ្ហភាពអាចបណ្តាលឱ្យមានការផ្ទេរកំដៅ (ដំណើរការដែលមិនអាចត្រឡប់វិញបាន)។ ដើម្បីឱ្យដំណើរការអ៊ីសូទែម័រកើតឡើង (សីតុណ្ហភាពឧស្ម័នតែងតែថេរ) ឧស្ម័នត្រូវតែពង្រីក ឬចុចបន្តិចម្តងៗ។ តាមពិតទៅ ការពង្រីក ឬការបង្ក្រាបឧស្ម័ន កើតឡើងលឿនជាងមុន។ នេះគឺដោយសារតែភាពច្របូកច្របល់ (ចងចាំសម្ភារៈសារធាតុរាវថាមវន្ត) ការកកិត ភាពស្អិត។ល។ ជាលទ្ធផល ដំណើរការអ៊ីសូទែម័រដ៏ល្អឥតខ្ចោះនឹងមិនមានឡើយ។ ផ្ទុយទៅវិញ ការពង្រីក និងការបង្ក្រាបអាឌីអាបាទិកគឺលឿន។
គោលដៅគឺដើម្បីរក្សាកំដៅមិនឱ្យហូរចូលទៅក្នុងស៊ីឡាំង ឬចេញពីស៊ីឡាំង។ វត្តមាននៃការកកិត ភាពស្អិតជាប់ ជាដើម មិនបណ្តាលឱ្យមានការពង្រីក និងការសង្កត់ធ្ងន់អាឌីយ៉ាបាទិកពេញលេញនោះទេ។ សូមចងចាំថាម៉ាស៊ីន Carnot គឺគ្រាន់តែជាទ្រឹស្តីប៉ុណ្ណោះ។ ម៉ាស៊ីន Carnot មិនមាននៅក្នុងជីវិតរបស់យើងទេ។ ទោះបីជាមានតែទ្រឹស្តីក៏ដោយ អត្ថិភាពនៃម៉ាស៊ីន Carnot គឺជាការអភិវឌ្ឍដែលមានប្រយោជន៍នៃទែរម៉ូឌីណាមិក។ យ៉ាងហោចណាស់វាអាចត្រូវបានគេដឹងអំពីដំណើរការដែលមិនអាចត្រឡប់វិញបានណាមួយដែលអាចកើតឡើងក្នុងអំឡុងពេលដំណើរការ ហើយព្យាយាមបង្រួមអប្បបរមាពួកវា ដើម្បីឱ្យប្រសិទ្ធភាពរបស់ម៉ាស៊ីនមានកម្រិតអតិបរមា។
លទ្ធផលសំខាន់នៃម៉ាស៊ីន Carnot គឺសម្រាប់កំដៅម៉ាស៊ីនដ៏ល្អឥតខ្ចោះ កំដៅដែលទទួលបាន (Q₂H₄ ) គឺសមាមាត្រទៅនឹងសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ (T₂H₄ ) ហើយផ្សែងដែលរលាយ (Q₂L₄ ) គឺសមាមាត្រទៅនឹងសីតុណ្ហភាពទាប (T₂L₄ ) ។ ដូច្នេះ ប្រសិទ្ធភាពនៃម៉ាស៊ីនកំដៅដ៏ល្អឥតខ្ចោះគឺ៖
នេះគឺជាសមីការនៃប្រសិទ្ធភាពម៉ាស៊ីនកំដៅដ៏ល្អឥតខ្ចោះ។
សំណួរទី ២៖
ម៉ាស៊ីនចំហាយទឹកដំណើរការរវាងសីតុណ្ហភាព 500 អង្សា សេ និង 300 អង្សា សេ។ កំណត់ប្រសិទ្ធភាពដ៏ល្អ (ប្រសិទ្ធភាព Carnot) របស់ម៉ាស៊ីនចំហាយទឹក។
ជាដំណោះស្រាយ
សីតុណ្ហភាពគួរតែត្រូវបានបម្លែងទៅជាមាត្រដ្ឋាន Kelvin ។
TH (សីតុណ្ហភាពខ្ពស់) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
សីតុណ្ហភាពទាប ( T L ) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
ប្រសិទ្ធភាពនៃម៉ាស៊ីនកម្តៅដ៏ល្អឥតខ្ចោះដែលដំណើរការរវាង 500 °C និង 300 °C គឺ 26%។ នៅពេលដែលម៉ាស៊ីនដែលយើងប្រើប្រាស់ក្នុងជីវិតប្រចាំថ្ងៃរបស់យើងដំណើរការរវាង 500 °C និង 300 °C ប្រសិទ្ធភាពអតិបរមាដែលម៉ាស៊ីនអាចសម្រេចបានគឺប្រហែល 0.7 ដងនៃប្រសិទ្ធភាពដ៏ល្អ (18.2%)។
សំណួរទី ២៖
ម៉ាស៊ីនកំដៅមួយទទួលបាន 600 J នៅសីតុណ្ហភាព 300 °C អនុវត្តការងារ (W) 100 Joules និងបញ្ចេញ 500 J នៅសីតុណ្ហភាព 100 °C។ កំណត់ប្រសិទ្ធភាពជាក់ស្តែង និងប្រសិទ្ធភាពដ៏ល្អ (ប្រសិទ្ធភាព Carnot) របស់ម៉ាស៊ីននេះ។
សីតុណ្ហភាពគួរតែត្រូវបានបម្លែងទៅជាមាត្រដ្ឋាន Kelvin
TH (សីតុណ្ហភាពខ្ពស់) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
សីតុណ្ហភាពទាប ( T L ) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
Q L = 500 J
ប្រសិទ្ធភាពម៉ាស៊ីន៖
ប្រសិទ្ធភាពល្អបំផុតរបស់ម៉ាស៊ីននេះ៖
ប្រសិទ្ធភាពរបស់ម៉ាស៊ីនកម្តៅដ៏ល្អឥតខ្ចោះដែលដំណើរការរវាងសីតុណ្ហភាព 300 °C និង 100 °C គឺ 35%។ ប្រសិទ្ធភាពអតិបរមាដែលម៉ាស៊ីនអាចសម្រេចបានជាធម្មតាគឺប្រហែល 0.7 ដងនៃប្រសិទ្ធភាពដ៏ល្អ = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J កំដៅដែលប្រើដើម្បីធ្វើការងារ)។
ប្រសិទ្ធភាពជាក់ស្តែងរបស់ម៉ាស៊ីននេះគឺ 17% (មានតែកំដៅ 100 J ប៉ុណ្ណោះដែលត្រូវបានប្រើដើម្បីធ្វើការងារ)។ នៅតែមានកំដៅប្រហែល 147 J – 100 J = 47 J ដែលអាចប្រើដើម្បីធ្វើការងារបាន។
សំណួរទី ២៖
ម៉ាស៊ីនមួយទទួលបានកាឡូរី 1000 ជូល និងផលិតថាមពល 400 ជូលក្នុងវដ្តនីមួយៗ។ ម៉ាស៊ីននេះដំណើរការរវាងសីតុណ្ហភាព 500 អង្សា សេ និង 200 អង្សា សេ។ គណនាប្រសិទ្ធភាពជាក់ស្តែង និងប្រសិទ្ធភាពដ៏ល្អរបស់ម៉ាស៊ីននេះ។
ជាដំណោះស្រាយ
TH (សីតុណ្ហភាពខ្ពស់) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
សីតុណ្ហភាពទាប ( T L ) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
Q L = 400 J
ប្រសិទ្ធភាពម៉ាស៊ីន៖
ប្រសិទ្ធភាពល្អបំផុតរបស់ម៉ាស៊ីននេះ៖
ប្រសិទ្ធភាព Carnot = 40%។ ប្រសិទ្ធភាពម៉ាស៊ីនពិតប្រាកដ = 60%។ ម៉ាស៊ីននេះមិនមានទេ។ ប្រសិទ្ធភាពរបស់ម៉ាស៊ីនមិនអាចធំជាងប្រសិទ្ធភាពរបស់ Carnot បានទេ។
សំណួរទី ២៖
ដើម្បីឱ្យប្រសិទ្ធភាពម៉ាស៊ីន Carnot ឈានដល់ 100% (1) តើសីតុណ្ហភាពបញ្ចេញដែលត្រូវការ (T L ) ជាអ្វី?
ជាដំណោះស្រាយ
ដើម្បីឱ្យប្រសិទ្ធភាពម៉ាស៊ីនល្អឥតខ្ចោះឈានដល់ 100% (កំដៅទាំងអស់អាចត្រូវបានប្រើដើម្បីធ្វើការងារ) នោះសីតុណ្ហភាពទាប (T L ) គួរតែមាន 0 Kelvin។
ការឈានដល់សីតុណ្ហភាព 0 Kelvin គឺមិនអាចទៅរួចទេ។ សេចក្តីថ្លែងការណ៍នេះគឺជាច្បាប់ទីបីនៃទែរម៉ូឌីណាមិក។
ដោយសារ r នីមួយៗ 0 Kelvin មិនអាចទៅរួចទេ នោះម៉ាស៊ីនកំដៅដ៏ល្អឥតខ្ចោះអាចនឹងមិនមានប្រសិទ្ធភាព 100% ទេ។ ដោយសារប្រសិទ្ធភាព 100% មិនអាចសម្រេចបានដោយម៉ាស៊ីនកំដៅ វាអាចសន្និដ្ឋានបានថាវាមិនអាចប្រើកំដៅទាំងអស់ (Q H ) ដើម្បីធ្វើការងារបានទេ។ ត្រូវតែមានកំដៅខ្ជះខ្ជាយខ្លះ (Q L )។
មិនអាចមានម៉ាស៊ីនកំដៅណាមួយ (ដែលដំណើរការក្នុងវដ្តមួយ) ដែលអាចប្រែក្លាយកំដៅទាំងអស់ទៅជាការងារបានទេ (ច្បាប់ទីពីរនៃទែរម៉ូឌីណាមិក សេចក្តីថ្លែងការណ៍ Kelvin-Planck)។
ក្រាហ្វនេះបង្ហាញពីដំណើរការអ៊ីសូទែមល (ការពង្រីកអ៊ីសូទែមល) ដែលកើតឡើងក្នុងដំណាក់កាលតែមួយប៉ុណ្ណោះ។ នៅក្នុងដំណើរការនេះ កំដៅទាំងអស់ (Q) អាចត្រូវបានបំប្លែងទៅជាការងារ (W)។ បរិមាណការងារដែលបានធ្វើ = ផ្ទៃដែលមានស្រមោល។
ម៉ាស៊ីនកំដៅត្រូវតែដំណើរការជាបន្តបន្ទាប់ (ដំណើរការត្រូវតែកើតឡើងម្តងហើយម្តងទៀត មិនអាចកើតឡើងក្នុងជំហានតែមួយបានទេ)។ ឧទាហរណ៍ ម៉ាស៊ីនចំហាយទឹកប្រភេទឆ្លាស់គ្នា។ ពីស្តុងនៅលើម៉ាស៊ីនចំហាយទឹកឆ្លាស់គ្នាត្រូវតែផ្លាស់ទីទៅស្តាំ និងឆ្វេងជាបន្តបន្ទាប់ ដូច្នេះកង់អាចវិលបាន (អាចត្រូវបានប្រើដើម្បីផ្លាស់ទីអ្វីមួយ)។ កង់មិនអាចបង្វិលបានទេនៅពេលដែលពីស្តុងផ្លាស់ទីដើម្បីឈប់ភ្លាមៗ (ដំណើរការកើតឡើងក្នុងដំណាក់កាលតែមួយប៉ុណ្ណោះ)។ ប្រសិនបើដំណើរការកើតឡើងម្តងហើយម្តងទៀត វាមិនអាចទៅរួចទេដែលកំដៅទាំងអស់អាចត្រូវបានប្រែក្លាយទៅជាការងារ (សេចក្តីថ្លែងការណ៍ Kelvin-Planck)។
ក្រាហ្វនៅខាងឆ្វេងបង្ហាញពីការពង្រីកអ៊ីសូទែម (ព្រួញចុះក្រោម) និងការបង្ហាប់អ៊ីសូទែម (ព្រួញឡើងលើ)។ ដំណើរការនេះកើតឡើងជាបន្តបន្ទាប់ដោយអ៊ីសូទែម (គ្មានការងារណាមួយត្រូវបានបង្កើតឡើងទេ)។ ក្រាហ្វនៅខាងស្តាំគឺជាដំណើរការពង្រីកអ៊ីសូទែម (ព្រួញចុះក្រោម) ដំណើរការចុចអ៊ីសូបារីក (ព្រួញទៅខាងឆ្វេង) និងដំណើរការអ៊ីសូ ទែ ម (ព្រួញឡើងលើ)។ ពីក្រាហ្វទាំងពីរនេះ វាហាក់ដូចជាសម្រាប់ដំណើរការបន្ត តែងតែមានកំដៅខ្ជះខ្ជាយ។
