Fampiharana ny Lalàna Faharoa momba ny Termodinamika amin'ny Motera Fanafanana
Ny motera hafanana dia iray amin'ireo zava-baovao manan-danja indrindra teo amin'ny tantaran'ny teknolojia satria namela ny olombelona hanova ny angovo mafana ho asa mekanika mahasoa. Manomboka amin'ny motera etona tamin'ny Revolisiona Indostrialy ka hatramin'ny turbine entona sy ny motera fandoroana anatiny amin'ny fiara maoderina, ny foto-kevitra fototra momba ny motera hafanana dia mbola mitovy: loharanon-kafanana, toerana fanariana hafanana, ary asa vokarina. Saingy azo ovaina ho asa 100% amin'ny fotoana ve ny hafanana rehetra? Nahoana no misy foana ny "fahaverezana" tsy azo ihodivirana? Ny valiny dia ao amin'ny Lalàna Faharoa momba ny Termodinamika. Tsy fitsipika teorika fotsiny io lalàna io, fa fetra fototra izay mamaritra ny fahombiazan'ny motera hafanana sy ny fomba tokony hamolavolana azy.
Topimaso momba ny Motera Fanafanana
Raha fintinina, ny motera hafanana dia rafitra iray izay miasa tsikelikely mba hanovana ny sasany amin'ny angovon'ny hafanana miditra ho asa. Amin'ny tsingerina iray, ny motera dia mandray hafanana avy amin'ny fitahirizana mafana (ohatra, fandoroana solika na reaktora nokleary), mamokatra asa (ohatra, fihodinana ny tahony), ary avy eo dia mandà ny hafanana sisa tavela ho any amin'ny fitahirizana mangatsiaka (ohatra, rivotra ivelany na rano mangatsiaka). Ireo singa telo ireo—ny fitahirizana mafana, ny motera, ary ny fitahirizana mangatsiaka—dia hita foana ao amin'ny motera hafanana tena izy.
Raha mampiasa fanamarihana mahazatra isika:
– Mitroka hafanana avy amin'ny loharanon-kafanana mitentina Qₕ (hafanana miditra) ny milina.
– Manao ny asan'ny W ny milina.
– Mamoaka hafanana amin'ny habetsahan'ny Q𝑐 ny milina mankany amin'ny tontolo iainana na amin'ny loharano mangatsiaka.
Araka ny Lalàna Voalohany momba ny Termodinamika (fitsitsiana angovo), mihatra:
Qₕ = W + Q𝑐
Midika izany fa ny asa vokarina dia ny fahasamihafana misy eo amin'ny hafanana miditra sy ny hafanana very. Na izany aza, ny Lalàna Voalohany dia tsy manazava ny antony tsy ahafahan'ny Q𝑐 ho aotra. Eto no mitana anjara toerana lehibe ny Lalàna Faharoa.
Fanambarana ny Lalàna Faharoa momba ny Termodinamika
Azo ambara amin'ny endrika mitovy maromaro ny Lalàna Faharoan'ny Termodinamika, saingy ny fanambarana roa tena mifandraika amin'ny motera hafanana dia:
1. Fanambarana Kelvin–Planck:
Tsy azo atao ny manorina motera hafanana izay miasa amin'ny tsingerina iray ary manova ny hafanana rehetra voaray avy amin'ny fitahirizana iray ho asa raha tsy mandroaka ny hafanana mankany amin'ny fitahirizana iray hafa.
Raha lazaina amin'ny teny hafa, dia tsy afaka ny ho mahomby 100% ny motera hafanana.
2. Fanambaran'i Clausius:
Tsy afaka mifindra avy amin'ny zavatra mangatsiaka mankany amin'ny zavatra mafana ny hafanana raha tsy misy asa avy any ivelany.
Izany no manazava ny antony ilàn'ny vata fampangatsiahana/fampangatsiahana rivotra angovo elektrika: mba "hanerena" ny hafanana hihetsika mifanohitra amin'ny lalana voajanahary.
Samy mamaritra fitsipika iray ireo fanambarana roa ireo: ny dingana voajanahary dia manana lalana (tsy azo averina), ary misy fetrany fototra ny fiovan'ny angovon'ny hafanana ho angovo mahasoa.
Entropy sy ny Fitarihan'ny Dingana
Ny foto-kevitra fototra iray mipoitra avy amin'ny Lalàna Faharoa dia ny entropy (S), izay habe izay matetika takarina ho toy ny fandrefesana ny fizarana angovo na ny haavon'ny fikorontanana, na dia ara-pomba ofisialy kokoa aza ny famaritana azy ara-termodinamika. Ho an'ny dingana azo averina, ny fiovan'ny entropy dia faritana toy izao:
dS = δQ_rev / T
Ny Lalàna Faharoa dia milaza fa ho an'ny rafitra mitokana, ny entropy manontolo dia tsy mihena mihitsy:
ΔS_total ≥ 0
Ao anatin'ny sehatry ny motera hafanana, rehefa mikoriana avy amin'ny loharano mafana mankany amin'ny loharano mangatsiaka ny hafanana, dia mitombo ny entropy manontolo. Mba hahafahan'ny motera mamokatra asa, dia mampiasa io "fikorianan'ny" angovon'ny hafanana io izy, saingy tsy maintsy manaraka ny fepetra takiana fa tsy tokony hihena ny entropy manontolo. Vokatr'izany, dia tsy maintsy ariana any amin'ny fitahirizana mangatsiaka foana ny hafanana sasany. Tsy fatiantoka ara-teknika fotsiny io fandavana io, fa fepetra fototra iray mba hahafenoana ny fepetra takiana amin'ny entropy.
Fahombiazan'ny motera hafanana sy ny fetran'ny Carnot
Ny fahombiazan'ny hafanana amin'ny motera hafanana dia faritana ho ny tahan'ny asa vokarina amin'ny hafanana voaray avy amin'ny loharanon'ny hafanana:
η = W / Qₕ = (Qₕ − Q𝑐) / Qₕ = 1 − (Q𝑐 / Qₕ)
Ny Lalàna Faharoa dia mametra ny sanda ambony indrindra amin'ny η. Ny motera Carnot no motera hafanana mahomby indrindra ara-teoria, motera tonga lafatra izay miasa amin'ny fomba azo averina eo anelanelan'ny fitahirizana roa amin'ny mari-pana Tₕ (mafana) sy T𝑐 (mangatsiaka) amin'ny Kelvin. Ny fahombiazan'ny Carnot ambony indrindra dia omena amin'ny:
η_Carnot = 1 − (T𝑐 / Tₕ)
Ity raikipohy ity dia mampiseho zavatra roa manan-danja:
1. Ny fahombiazana ambony indrindra dia miankina amin'ny mari-pana ao amin'ny fitoeran-drano ihany, fa tsy amin'ny karazana ranoka miasa na ny antsipirian'ny famolavolana ny motera.
2. Ho an'ny mampitombo ny fahombiazana, tsy maintsy ampitombointsika ny Tₕ na ahena ny T𝑐. Na izany aza, samy voafetra ny akora, ny fiarovana, ny vidiny ary ny toe-javatra manodidina.
Ohatra: raha Tₕ = 900 K ary T𝑐 = 300 K, dia:
η_Carnot = 1 − 300/900 = 1 − 1/3 = 0,667 (66,7%)
Ity no fetra tsara indrindra. Ny motera tena izy dia hanana fahombiazana ambany kokoa noho ny fifandonana, ny fahaverezan'ny hafanana, ny fandoroana tsy feno, ary ireo antony hafa tsy azo ivalozana.
Tsy azo averina amin'ny milina tena izy
Ny Lalàna Faharoa koa dia manazava ny antony tsy ahafahan'ny motera tena izy mahatratra ny fahombiazan'ny Carnot. Ny antony voalohany dia ny tsy azo averina, izay dingana miteraka entropy. Ireto misy loharanon'ny tsy azo averina amin'ny motera hafanana:
– Fikosehana mekanika amin'ny tahony, ny bearings ary ny singa mihetsika.
– Famindrana hafanana amin'ny alalan'ny fahasamihafan'ny mari-pana lehibe, ohatra ny hafanana avy amin'ny efitra fandoroana mafana kokoa mankany amin'ny tsiranoka miasa; ity karazana famindrana ity dia miteraka entropy lehibe kokoa noho ny dingana tonga lafatra.
– Fikorontan-drivotra sy fahaverezan'ny tsindry amin'ny fikorianan'ny ranoka ao anaty fantsona, valva ary turbine.
- Fifangaroan'ny entona sy rivotra na vokatra avy amin'ny fandoroana tsy azo averina intsony.
– Ny fandoroana mihitsy dia dingana tsy azo ivalozana mihitsy.
Ireo zavatra rehetra ireo dia mampitombo ny entropy manontolo ary "mampiasa" ny fahafahana mamokatra asa, ka mihena ny fahombiazana.
Fampiharana amin'ny Motera Fandoroana Anatiny sy ny Orinasa Mpamokatra Herinaratra Etona
Ao amin'ny motera fandoroana anatiny (toy ny motera lasantsy sy diesel), ny loharanon'ny hafanana dia avy amin'ny fihetsiky ny fandoroana ao anatin'ny cylinder. Ny motera dia mandray hafanana (amin'ny fomba mahomby) amin'ny mari-pana avo mandritra ny fandoroana, avy eo dia mandà ny hafanana amin'ny alàlan'ny entona mivoaka sy ny rafitra fampangatsiahana (radiator). Ny Lalàna Faharoa dia manazava ny antony mahatonga ny motera fiara hamokatra hafanana be dia be tsy tapaka: tsy azo atao ny mamadika ny angovon'ny solika rehetra ho asa mekanika.
Ao amin'ny orinasa mpamokatra etona (PLTU), ny rano dia hafanaina ho lasa etona avo lenta mba hampihodinana ny turbine. Rehefa avy mandalo ny turbine, ny etona dia ampangatsiahina ao anaty condenser mba hiverina ho rano ary azo paompy indray. Ity condenser ity dia miasa toy ny fitahirizana mangatsiaka. Maro ny olona mihevitra ny condenser ho "fandaniam-bola", saingy ara-thermodinamika, ny fanaparitahana hafanana dia fepetra takiana mba hitohizan'ny tsingerina ary mba tsy handikana ny Lalàna Faharoa ny entropy manontolo. Noho izany, ny PLTU dia mazàna aorina akaikin'ny loharanon-drano lehibe ho an'ny fampangatsiahana, na mampiasa tilikambo fampangatsiahana.
Tetikady fanatsarana ny fahombiazana mifototra amin'ny Lalàna Faharoa
Satria mametraka fetra ny Lalàna Faharoa, ny fanatsarana ny motera fanafanana dia mifantoka amin'ny fampihenana ny tsy azo averina intsony sy ny fanitarana ny mari-pana mahomby. Ireto misy paikady mahazatra:
– Fanafanana tafahoatra sy fanafanana indray ao amin'ny tsingerin'ny Rankine (PLTU) mba hampitomboana ny mari-pana fidiran'ny turbine.
– Fanavaozana (fanafanana rano famatsiana) mba hampiasana ny hafanana lany hanafanana ny rano famatsiana, hampihena ny filàn'ny boiler amin'ny hafanana.
– Tsingerina mitambatra (tsingerina mitambatra entona-etona), izay ametrahana ny hafanana tsy ilaina turbine entona ampiasaina hamokarana etona izay mamadika ny milina mpamokatra etona. Izany dia mampitombo ny fampiasana ny angovon'ny hafanana ary mampanakaiky kokoa ny rafitra fetran'ny fahombiazana ambony kokoa.
- Fanatsarana ny fitaovana mba hahafahan'ny singa miasa mari-pana ambony kokoa tsy misy fahasimbana, ka mitombo ny Tₕ.
– Mampihena ny fikorianan'ny rano sy ny fahasimbana amin'ny alalan'ny famolavolana aerodinamika ny turbine, ny fanosorana tsara kokoa, ary ny fanatsarana ny lalan'ny ranoka.
Ireo ezaka rehetra ireo dia fampiharana azo ampiharina amin'ny Lalàna Faharoa: ny fitantanana ny entropy sy ny fampihenana ny famokarana entropy mba hahafahana mamadika ny angovon'ny hafanana ho asa.
Famaranana
Ny fampiharana ny Lalàna Faharoa momba ny Termodinamika amin'ny motera hafanana dia mampiseho fetra fototra izay tsy azon'ny teknolojia resena: tsy misy motera afaka manova ny hafanana rehetra ho asa ao anatin'ny tsingerina tokana. Ny fisian'ny fitahirizana mangatsiaka sy ny fitoeran-javatra mafana dia tsy lesoka amin'ny famolavolana fotsiny, fa vokatra mivantana avy amin'ny fitarihana voajanahary amin'ny dingana sy ny fitomboan'ny entropy. Amin'ny alàlan'ny foto-kevitry ny fahombiazana, ny fetran'ny Carnot, ary ny famakafakana ny tsy azo averina, ny Lalàna Faharoa dia manome torolàlana voalohany amin'ny famolavolana motera mahomby kokoa - manomboka amin'ny motera fiara ka hatramin'ny orinasa mpamokatra herinaratra lehibe. Amin'ny fahatakarana ny Lalàna Faharoa, dia tsy vitan'ny hoe fantatsika "nahoana no voafetra ny fahombiazana" fa koa "aiza no tokony hanatsarana" mba hitondrana ny motera hafanana ho akaiky kokoa ny fampisehoana tsara indrindra avelan'ny natiora.
