Gotara li ser Çerxa Motora Carnot
Ji bo ku fêr bibe ka meriv çawa karîgeriya motorek germê zêde dike, zanyarekî Fransî yê bi navê Sadi Carnot (1796-1832) di sala 1824an de motorek germê ya îdeal bi awayekî teorîk lêkolîn kir. Wê demê, qanûna yekem a termodînamîkê û qanûna duyem a termodînamîkê nehatibûn formulekirin. Qanûna yekem nehatibû formulekirin ji ber ku zanyar hîn nizanibûn ku germ enerjî ye. Piştî ku Joule û hevalên wî di salên 1830an de ceribandin kirin, zanyar tenê bi teqezî dizanibûn ku germ enerjî ye ku ji ber cûdahiyên germahiyê tê veguhastin. Ji ber vê yekê qanûna yekem a termodînamîkê piştî sala 1830an hate formulekirin. Sadi Carnot di sala 1824an de motorek germê ya îdeal bi awayekî teorîk lêkolîn kiribû. Lêkolîna ku wî kir, di rastiyê de ji bo zêdekirina karîgeriya motorên buharê yên ku di wê demê de dihatin bikar anîn bû. Piraniya motorên buharê yên wê demê kêmtir karîger bûn.
Çerxa di motoreke germê ya îdeal de, ku ji hêla Sadi Carnot ve hatî pêşve xistin, wekî çerxa Carnot tê binavkirin. Berî ku em çerxa Carnot binirxînin, fêmkirina pêvajoyên nevegerbar kêrhatî ye. Her pêvajoyek xwezayî ya veguherîn û veguhestina enerjiyê bi gelemperî nevegerbar e. Mînakî, heke em destên xwe bi hev re bişon, ew germ dibin. Di vê rewşê de, germ bi rêya karê ku em dikin tê hilberandin. Pêvajo nevegerbar e. Germahiya ku tê hilberandin bi şuştina destên me bi xwe nikare kar bike. Armanca motoreke germê ew e ku vê pêvajoyê bi qismî berevajî bike, ku germ dikare were bikar anîn da ku kar bi karîgeriya herî mezin pêk bîne. Ji bo ku motoreke germê bigihîje karîgeriya herî zêde, divê em ji hemî pêvajoyên nevegerbar dûr bisekinin. Veguhestina germê ya xwezayî bi gelemperî nevegerbar e, ji ber vê yekê hewl tê dayîn ku pêşî li veguhestina germê were girtin.
Dema ku motor germ dibe QH li deverên ku germahiya hewayê pir zêde ye (TH), madeya kar a di makîneyê de jî divê di germahiya T de beHBi heman awayî, heke motor germahiya Q derxeL li deverên ku germahiya hewayê nizm e (TL), madeya kar a di makîneyê de jî divê di germahiya T de beLJi ber vê yekê divê her pêvajoyek ku veguhestina germê vedihewîne îzotermîk be (heman germahî). Berevajî vê, heke germahiya madeya kar a di motorê de di navbera T de beH û TL, divê di navbera makîneyê û cihekî ku germahiya wê T ye de veguhestina germê çênebe.H (pêşkêşvanê germê) û cihekî ku germahiya wê T yeL (avêtin). Ji bo ku germî dernekeve, divê pêvajo bi awayekî adîabatîkî were meşandin.
Çerxa Carnot di rastiyê de ji du pêvajoyên îzotermîk ên berevajî û du pêvajoyên adiabatîk ên berevajî pêk tê.
Wêneya li rastê çerxa Carnot ji bo gazeke îdeal nîşan dide. Di destpêkê de, germ di dema berfirehbûna îzotermîk de tê kişandin (a-b). Di dema berfirehbûna îzotermîk de, germahiya gazê di silindirê de sabît dimîne.
Piştre, gaz bi awayekî adîabatîk berfireh dibe da ku germahiya wê ji T₂H dakeve T₂L ( b- c ). T₂H = germahiya bilind (Germahiya bilind), T₂L = germahiya nizm (Germahiya nizm). Di dema berfirehbûna adîabatîk de, germahî nakeve nav silindirê an jî dernakeve. Piştî vê yekê, gaz bi awayekî îzotermîk tê pêçandin (c-d). Di dema pêçandina îzotermîk de, germahiya gazê sabît dimîne. Piştre, gaz bi awayekî adîabatîk tê pêçandin (d-a). Ji ber ku ew bi awayekî adîabatîk tê pêçandin, germahiya gazê zêde dibe. Germahiya gazê zêde dibe da ku zexta gazê jî zêde bibe. Hemû pêvajoyên di çerxa Carnot de berevajî ne.
Di dema berfirehbûn û zexta îzotermîk de, germahiya gazê sabît dimîne. Armanc ew e ku ji cudahîyên germahiyê dûr bikevin. Cudahîyên germahiyê dikarin bibin sedema veguhestina germê (pêvajoyek bêveger). Ji bo ku pêvajoyek îzotermîk çêbibe (germahiya gazê sabît bimîne), divê gaz hêdî hêdî berfireh bibe an jî were zextkirin. Di rastiyê de, berfirehbûn an zexta gazê zûtir çêdibe. Ev ji ber turbulansê ye (mijara dînamîkên şilavan bi bîr bînin), rijandinê, vîskozîteyê, û hwd. Di encamê de, pêvajoyek îzotermîk a bêkêmasî qet çênabe. Di şûna wê de, berfirehbûn û zexta adîabatîk bi lez çêdibin.
Armanc ew e ku pêşî li herikîna germê bo nav silindirê an jî derketina wê were girtin. Xurandin, vîskozîtî û faktorên din rê li ber berfirehbûn û zexta adîabatîk a bêkêmasî digirin. Girîng e ku were zanîn ku motora Carnot bi tevahî teorîk e; ew di jiyana me ya rojane de tune ye. Her çend teorîk be jî, motora Carnot bi girîngî beşdarî pêşkeftina termodînamîkê dibe. Bi kêmanî, em dikarin her pêvajoyên bêveger ên ku di dema pêvajoyê de çêdibin nas bikin û hewl bidin ku wan kêm bikin, bi vî rengî bandora motora germê ya sêwirandî ya me herî zêde bikin.
Encamek pir girîng a motora Carnot ew e ku ji bo motorek germê ya bêkêmasî, germa wergirtî (QH ) bi germahiya TH re rêjeyî ye û germa redkirî (QL ) bi germahiya TL re rêjeyî ye . Bi vî awayî, karîgeriya motorek germê ya bêkêmasî ev e:
Nimûneya pirsa 1:
Motora buharê di navbera 500 ° C û 300 ° C de dixebite. Karîgeriya îdeal (karîgeriya Carnot) ya motora buharê diyar bike.
Nîqaş
Pêdivî ye ku germahî li gorî pîvana Kelvin were veguheztin.
T H (germahiya bilind) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (germahiya nizm) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Karîgeriya îdeal an jî karîgeriya motoreke germê ya bêkêmahî ku di navbera 500 ° C û 300 ° C de dixebite %26 e. Ger motora ku em di jiyana rojane de bikar tînin di navbera 500 ° C û 300 ° C de bixebite, karîgeriya herî zêde ya ku motor dikare bi dest bixe bi gelemperî dora 0,7 carî karîgeriya îdeal e (%18,2).
Nimûneya pirsa 2:
Motoreke germê di germahiya 300 ° C de 600 Joule germê (Q) werdigire, 100 Joule kar (W) dike û di germahiya 100 ° C de 500 J red dike. Karîgeriya rastîn û karîgeriya îdeal (karîgeriya Carnot) ya vê motorê diyar bike...
Nîqaş
Pêdivî ye ku germahî li gorî pîvana Kelvin were veguheztin.
T H (germahiya bilind) = 300 o C - - - 300 + 273 = 573 K
T L (germahiya nizm) = 100 o C - - - 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
Karîgeriya motorê:
Karîgeriya îdeal an jî karîgeriya motoreke germê ya bêkêmasî ku di navbera 300 ° C û 100 ° C de dixebite %35 e. Karîgeriya herî zêde ku motor dikare bi dest bixe bi gelemperî dora 0,7 carî karîgeriya îdeal e = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J germê ku dikare ji bo kirina kar were bikar anîn).
Karîgeriya rastîn a vê motorê %17 e (tenê 100 J germî ji bo kirina kar tê bikar anîn). Hîn jî nêzîkî 147 J – 100 J = 47 J germî heye ku dikare ji bo kirina kar were bikar anîn. Baş e ku karîgeriya vê motorê were zêdekirin da ku windahiyên ku em dikişînin kêm bibin.
Nimûneya pirsa 3:
Makîneyek di her çerxê de 1000 Joule germê werdigire û 400 Joule kar çêdike. Ev makîne di navbera 500 ° C û 200 ° C de dixebite. Karîgeriya rastîn û karîgeriya îdeal a vê makîneyê çi ye?
Nîqaş
T H (germahiya bilind) = 500 o C - - - 500 + 273 = 773 K
T L (germahiya nizm) = 200 o C - - - 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
Karîgeriya motorê:
Karîgeriya îdeal a vê makîneyê ev e:
Karîgeriya îdeal, ku wekî karîgeriya Carnot jî tê zanîn, %40 e. Karîgeriya rastîn a motorê %60 e. Motorek wisa tune ye. Ne mimkûn e ku karîgeriya motorekê ji karîgeriya Carnot zêdetir be.
Nimûneya pirsa 4:
Ji bo ku karîgeriya motora Carnot bigihîje %100 (1), germahiya dûmana derxistinê (TL ) çi ye?
Nîqaş
Ji bo ku karîgeriya motoreke germê ya bêkêmahî bigihîje %100 (hemû germahiya têketinê dikare ji bo kirina kar were bikar anîn), divê germahiya derxistinê (TL ) = 0 Kelvin be.
Gihiştina germahiya 0 Kelvin ne mimkûn e. Ev gotin qanûna sêyemîn a termodînamîkê ye.
Ji ber ku bidestxistina 0 Kelvin ne mimkûn e, motoreke germê ya bêkêmasî nikare xwediyê %100 karîgeriyê be. Heta motoreke germê ya bêkêmasî jî nikare xwediyê %100 karîgeriyê be, bila motorên germê yên ku em di jiyana rojane de bikar tînin jî neyên bikaranîn.
Ji ber ku motora germê nikare %100 karîgeriyê bi dest bixe, em dikarin bigihîjin wê encamê ku ne mimkûn e ku hemû germahiya têketinê (Q2H ) ji bo kirina kar were bikar anîn. Divê hin windabûna germê ( Q2L ) hebe.
Ji bo motoreke germê (ku di çerxekê de dixebite) ne mimkun e ku hemû germê veguherîne kar (Qanûna Duyemîn a Termodînamîkê - Daxuyanîya Kelvin-Planck).
Nivîsa qalind û îtalîk a li jor daxuyaniyek taybetî ya qanûna duyemîn a termodînamîkê ye. Jê re daxuyaniyek taybetî tê gotin ji ber ku ew tenê ji bo motorên germê derbas dibe. Ji ber ku Kelvin û Planck ew formule kirine, jê re daxuyaniya Kelvin-Planck jî tê gotin. Bala xwe bidin hebûna peyva "çerx" di daxuyaniya jorîn de. Çerx pêvajoyek e ku dubare dibe. Ji ber vê yekê, motorek germê bi berdewamî dixebite. Peyva "çerx" lê zêde ye ji ber ku, di rastiyê de, hemî germ dikare bibe kar heke pêvajo tenê carekê çêbibe.
Di qanûna yekem a termodînamîkê de, çend pêvajoyên termodînamîkî hatine ravekirin, di nav wan de pêvajoyên îzotermîk, îzobarîk, îzokorîk û adîabatîk. Di pêvajoyek îzotermîk de, hemû germ dikare bibe kar (Q = W). Ev dikare çêbibe ger pêvajo tenê di yek qonaxê de pêk were. Li wêneyê jêrîn temaşe bikin:
Ev grafîk pêvajoyeke îzotermîk (berfirehbûna îzotermîk) nîşan dide ku di yek gavê de çêdibe. Di vê pêvajoyê de, hemû germahî (Q) vediguhere kar (W). Mîqdara karê ku tê kirin = qada tarîkirî ye.
Ji bo ku motora germê bikêr be, divê motorek germê bi berdewamî bixebite (divê pêvajo dubare bibe, ne di qonaxekê de). Mînakî, motorek buharê ya paşveger. Divê piston di motorek buharê ya paşveger de bi berdewamî ber bi rast û çepê ve biçe da ku çerx bikaribe bizivire (ku dikare ji bo tevgerandina tiştek were bikar anîn). Ger piston tenê ber bi rastê ve biçe û dûv re raweste, çerx nikare bizivire (pêvajo tenê di qonaxekê de pêk tê). Ger pêvajo bi dubare bibe (piston bi berdewamî ber bi rast û çepê ve biçe), ne mimkûn e ku hemî germ bibe kar (daxuyaniya Kelvin-Planck). Mînakî, em pêvajoya îzotermîk a ku di grafîka jorîn de tê nîşandan bifikirin.
Grafîka li milê çepê berfirehbûna îzotermîk (tîra ber bi jêr) û zexta îzotermîk (tîra ber bi jor) nîşan dide. Pêvajo bi awayekî berdewam bi awayekî îzotermîk pêk tê (kar nayê hilberandin). Grafîka li milê rastê berfirehbûna îzotermîk (tîra ber bi jêr), zexta îzobarîk (tîra çepê), û pêvajoya îzokorîk (tîra ber bi jor) nîşan dide. Ji van her du grafîkan, eşkere ye ku ji bo pêvajoyên ku bi berdewamî çêdibin (çerx), her gav windabûna germê heye. Ev li gorî daxuyaniya berê ya Kelvin-Planck e.
