തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാം നിയമം

തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാം നിയമത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ലേഖനം

സ്വാഭാവികമായി സംഭവിക്കുന്ന എല്ലാ പ്രക്രിയകളും ഒരു ദിശയിൽ മാത്രമേ സംഭവിക്കൂ, പക്ഷേ വിപരീത ദിശയിൽ സംഭവിക്കാൻ കഴിയില്ല, സാധാരണയായി ഇതിനെ മാറ്റാനാവാത്ത പ്രക്രിയകൾ എന്ന് വിളിക്കുന്നു. അതിന്റെ തണ്ടിൽ നിന്ന് സ്വതന്ത്രമായി നിലത്തേക്ക് വീണതിനുശേഷം, ഒരു മാമ്പഴം ഒരിക്കലും മുകളിലേക്ക് നീങ്ങുന്നില്ല. നമ്മൾ തള്ളി നിർത്തുന്ന ഒരു പുസ്തകം ഒരിക്കലും നമ്മുടെ നേരെ പിന്നോട്ട് നീങ്ങുന്നില്ല. താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള ഒരു വസ്തുവുമായി (തണുത്ത വസ്തു) ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ഒരു വസ്തുവിൽ (ചൂടുള്ള വസ്തു) സ്പർശിച്ചാൽ, ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ഒരു വസ്തുവിൽ നിന്ന് താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള വസ്തുവിലേക്ക് താപം സ്വാഭാവികമായി പ്രവഹിക്കുന്നു. വിപരീത പ്രക്രിയ നാം ഒരിക്കലും കാണുന്നില്ല, അവിടെ താപം സ്വാഭാവികമായും ഒരു തണുത്ത വസ്തുവിൽ നിന്ന് ചൂടുള്ള വസ്തുവിലേക്ക് നീങ്ങുന്നു. ഈ പ്രക്രിയ നടന്നാൽ, തണുത്ത വസ്തു തണുക്കും, അതേസമയം ചൂടുള്ള വസ്തു കൂടുതൽ ചൂടാകും. എന്നാൽ വാസ്തവത്തിൽ, അങ്ങനെയല്ല. പരസ്പരം വ്യത്യസ്തമായി തോന്നുന്ന നിരവധി മാറ്റാനാവാത്ത പ്രക്രിയകളുണ്ട്, പക്ഷേ അവയെല്ലാം ഊർജ്ജത്തിന്റെ രൂപത്തിലുള്ള മാറ്റങ്ങളും ഒരു വസ്തുവിൽ നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്ക് ഊർജ്ജ കൈമാറ്റവും ഉൾക്കൊള്ളുന്നു.

ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരു ശക്തമായ ഭൂകമ്പം ഉണ്ടാകുകയും അത് കെട്ടിടങ്ങൾ തകരുകയും ചെയ്യുന്നു (ഭൂകമ്പ തരംഗങ്ങൾ വഹിക്കുന്ന ഊർജ്ജം കാരണം കെട്ടിടങ്ങൾ തകരുന്നു). തകർന്ന കെട്ടിടത്തിന്റെ ഓരോ ഭാഗവും വീണ്ടും ഒന്നിച്ച് മുമ്പത്തെപ്പോലെ നിവർന്നു നിൽക്കുന്നത് നിങ്ങൾ എപ്പോഴെങ്കിലും കണ്ടിട്ടുണ്ടോ? അല്ലെങ്കിൽ, ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരു ഗ്ലാസ് തറയിൽ വീണു പൊട്ടുന്നു... തറയിൽ ചിതറിക്കിടക്കുന്ന ഗ്ലാസ് കഷണങ്ങൾ വീണ്ടും ഒന്നിച്ച് പഴയതുപോലെ പൂർണ്ണമായ ഒരു ഗ്ലാസ് രൂപപ്പെടുന്നത് നിങ്ങൾ എപ്പോഴെങ്കിലും കണ്ടിട്ടുണ്ടോ? ഒരിക്കലും സംഭവിച്ചിട്ടില്ല... മറ്റ് നിരവധി ഉദാഹരണങ്ങളുണ്ട്.

ഒരു ദിശയിൽ മാത്രം സംഭവിക്കുന്ന തെർമോഡൈനാമിക് പ്രക്രിയകളെ (തിരിച്ചുവിടാനാവാത്ത പ്രക്രിയകൾ) വിശദീകരിക്കാൻ, ശാസ്ത്രജ്ഞർ തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാമത്തെ നിയമം രൂപപ്പെടുത്തി. പ്രപഞ്ചത്തിൽ ഏതൊക്കെ പ്രക്രിയകൾ സംഭവിക്കാം, ഏതൊക്കെ പ്രക്രിയകൾക്ക് കഴിയില്ല എന്ന് തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാമത്തെ നിയമം വിശദീകരിക്കുന്നു. ആർ.ജെ.ഇ. ക്ലോഷ്യസ് (1822–1888) എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ഇനിപ്പറയുന്ന പ്രസ്താവന നടത്തി:

ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ഒരു വസ്തുവിൽ നിന്ന് താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള ഒരു വസ്തുവിലേക്ക് താപം സ്വയം നീങ്ങുന്നു; താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള ഒരു വസ്തുവിൽ നിന്ന് ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ഒരു വസ്തുവിലേക്ക് താപം സ്വയം നീങ്ങുന്നില്ല (താപവൈദ്യശാസ്ത്രത്തിന്റെ രണ്ടാം നിയമം - ക്ലോഷ്യസ് പ്രസ്താവന).

ക്ലോഷ്യസ് പ്രസ്താവന തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാം നിയമത്തിന്റെ ഒരു പ്രത്യേക പ്രസ്താവനയാണ്. ഇത് ഒരു പ്രക്രിയയ്ക്ക്, അതായത് താപ കൈമാറ്റത്തിന് മാത്രം ബാധകമാകുന്നതിനാൽ ഇതിനെ ഒരു പ്രത്യേക പ്രസ്താവന എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഈ പ്രസ്താവന മറ്റ് പ്രക്രിയകളുമായി ബന്ധപ്പെടാത്തതിനാൽ, നമുക്ക് കൂടുതൽ പൊതുവായ ഒരു പ്രസ്താവന ആവശ്യമാണ്. തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാം നിയമത്തിന്റെ പൊതു പ്രസ്താവനയുടെ വികസനം ഭാഗികമായി താപ എഞ്ചിനുകളുടെ പഠനത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ളതാണ്. അതിനാൽ, ആദ്യം നമുക്ക് താപ എഞ്ചിനുകളെക്കുറിച്ച് ചർച്ച ചെയ്യാം.

ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ

നമ്മൾ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഊർജ്ജത്തിന്റെ ഭൂരിഭാഗവും പെട്രോളിയം, ഗ്യാസ്, കൽക്കരി എന്നിവയിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന കെമിക്കൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ എനർജിയിൽ നിന്നാണ്. പെട്രോളിയം, ഗ്യാസ്, കൽക്കരി എന്നിവയിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന കെമിക്കൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ എനർജി നേരിട്ട് ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയില്ല. പെട്രോളിയം, ഗ്യാസ്, കൽക്കരി എന്നിവ ആദ്യം കത്തിക്കണം. സാധാരണയായി, ഫോസിൽ ഇന്ധനങ്ങൾ (പെട്രോളിയം, ഗ്യാസ്, കൽക്കരി) കത്തിക്കുന്നത് താപം ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു. ഭക്ഷണം പാകം ചെയ്യുന്നതിനും ഒരു മുറി ചൂടാക്കുന്നതിനും ചൂട് നേരിട്ട് ഉപയോഗിക്കാം. എന്തെങ്കിലും നീക്കാൻ (ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരു വാഹനം നീക്കാൻ), നമ്മൾ താപത്തെ ഗതികോർജ്ജമായോ മെക്കാനിക്കൽ എനർജിയായോ (മെക്കാനിക്കൽ എനർജി = പൊട്ടൻഷ്യൽ എനർജി + ഗതികോർജ്ജമായോ) പരിവർത്തനം ചെയ്യണം. മെക്കാനിക്കൽ എനർജിയെ താപമാക്കി മാറ്റുന്നത് വളരെ എളുപ്പമുള്ള ജോലിയാണ്, പക്ഷേ താപത്തെ മെക്കാനിക്കൽ എനർജിയാക്കി മാറ്റുന്നത് ബുദ്ധിമുട്ടാണ്. നിങ്ങളുടെ കൈപ്പത്തികൾ ഒരുമിച്ച് തടവാൻ ശ്രമിക്കുക... നിങ്ങളുടെ കൈപ്പത്തികൾ ചൂടാണ്, അല്ലേ? നമ്മൾ നമ്മുടെ കൈപ്പത്തികൾ ഒരുമിച്ച് തടവുമ്പോൾ (നമ്മൾ ജോലി ചെയ്യുന്നു), മെക്കാനിക്കൽ എനർജി താപമായി മാറുന്നു. പ്രക്രിയ വളരെ എളുപ്പമാണ്... ജോലി ചെയ്യുന്നതിലൂടെ അനന്തമായ താപം പോലും ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയും. എന്നാൽ വിപരീത പ്രക്രിയ, അതായത് ജോലി ചെയ്യാൻ ചൂട് ഉപയോഗിക്കുന്നത് ബുദ്ധിമുട്ടാണ്.

ജോലി നിർവഹിക്കുന്നതിന് താപം ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്ന ഒരു ഉപകരണം 1700-ൽ മാത്രമാണ് കണ്ടുപിടിച്ചത്. ചോദ്യം ചെയ്യപ്പെടുന്ന ഉപകരണം നീരാവി എഞ്ചിൻ ആയിരുന്നു. കൽക്കരി ഖനികളിൽ നിന്ന് വെള്ളം പമ്പ് ചെയ്യുന്നതിനാണ് നീരാവി എഞ്ചിനുകൾ ആദ്യമായി ഉപയോഗിച്ചത്. താപനില വ്യത്യാസങ്ങൾ കാരണം താപം യഥാർത്ഥത്തിൽ കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്ന ഊർജ്ജമാണെന്ന് ശാസ്ത്രജ്ഞർ അറിയുന്നതിന് മുമ്പാണ് നീരാവി എഞ്ചിനുകളുടെ ആദ്യ ഉപയോഗം നടന്നതെന്ന് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ് (താപവൈദ്യശാസ്ത്രത്തിന്റെ ആദ്യ നിയമം ഇതുവരെ രൂപപ്പെടുത്തിയിട്ടില്ല).

ആ സമയത്ത് നീരാവി എഞ്ചിനുകളുടെ ഉപയോഗം, നീരാവിക്ക് വസ്തുക്കളെ ചലിപ്പിക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് കാണിക്കുന്ന ദൈനംദിന അനുഭവത്തിന്റെ അടിസ്ഥാനത്തിലായിരിക്കാം. നീരാവി എഞ്ചിനുകളെ ഹീറ്റ് എഞ്ചിനുകളായി കണക്കാക്കുന്നു (ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ = താപത്തെ മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജമാക്കി മാറ്റുന്നതിനുള്ള ഒരു ഉപകരണം). ഇന്ന്, വൈദ്യുതോർജ്ജം ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ നീരാവി എഞ്ചിനുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ആധുനിക ഹീറ്റ് എഞ്ചിനുകൾ ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനുകളാണ് (കാർ എഞ്ചിനുകൾ, മോട്ടോർ സൈക്കിൾ എഞ്ചിനുകൾ മുതലായവ).

ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള മേഖലയിൽ നിന്ന് താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള മേഖലയിലേക്ക് താപം പ്രവഹിക്കാൻ അനുവദിച്ചാൽ മാത്രമേ അത് യാന്ത്രിക ഊർജ്ജമാക്കി മാറ്റാൻ കഴിയൂ എന്നതാണ് ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ ഉപയോഗിക്കുന്നതിന് പിന്നിലെ അടിസ്ഥാന ആശയം. ഈ പ്രക്രിയയിൽ, കുറച്ച് താപം യാന്ത്രിക ഊർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു (ചില താപം ജോലി ചെയ്യാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു), അതേസമയം കുറച്ച് താപം താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള മേഖലയിലേക്ക് നിരസിക്കപ്പെടുന്നു. ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിനിലെ ഊർജ്ജ പരിവർത്തനത്തിന്റെയും ഊർജ്ജ കൈമാറ്റത്തിന്റെയും പ്രക്രിയ ഡയഗ്രാമിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു.

ഉയർന്ന താപനില (T_H) കുറഞ്ഞ താപനിലയും (T_L) എഞ്ചിൻ പ്രവർത്തന താപനില എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു. ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള സ്ഥലത്ത് നിന്ന് ഒഴുകുന്ന താപത്തിന് Q എന്ന ചിഹ്നം നൽകിയിരിക്കുന്നു._H, താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള സ്ഥലത്തേക്ക് പുറത്തുവിടുന്ന താപത്തിന് Q എന്ന ചിഹ്നം നൽകിയിരിക്കുന്നു._L. ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള സ്ഥലത്ത് നിന്ന് താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള സ്ഥലത്തേക്ക് ഒഴുകുമ്പോൾ, കുറച്ച് Q_H മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു (ജോലി ചെയ്യാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു), അതിൽ ഒരു ഭാഗം Q ആയി പുറത്തുവിടുന്നു._L. വാസ്തവത്തിൽ നമ്മൾ പ്രതീക്ഷിക്കുന്നത് എല്ലാ ചോദ്യങ്ങളും_H W ആക്കി മാറ്റാൻ കഴിയും, പക്ഷേ ദൈനംദിന അനുഭവം കാണിക്കുന്നത് ഇത് അസാധ്യമാണ് എന്നാണ്. എപ്പോഴും കുറച്ച് താപം നഷ്ടപ്പെടും. അങ്ങനെ, ഊർജ്ജ സംരക്ഷണത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, Q_H = പ + ക്യു_L.

ഇനി താപത്തെ മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജമാക്കി മാറ്റാൻ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ അവലോകനം ചെയ്യാം. തുടർച്ചയായ ജോലി ചെയ്യുന്ന ഹീറ്റ് എഞ്ചിനുകളെക്കുറിച്ചാണ് നമ്മൾ പരിഗണിക്കുന്നത് എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ്. ജോലി തുടർച്ചയായി നടക്കണമെങ്കിൽ, ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള മേഖലയിൽ നിന്ന് താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള മേഖലയിലേക്ക് താപം തുടർച്ചയായി പ്രവഹിക്കണം. താപം ഒരിക്കൽ മാത്രമേ പ്രവഹിക്കുന്നുള്ളൂവെങ്കിൽ, ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ നടത്തുന്ന ജോലിയും ഒരിക്കൽ മാത്രമേ ചെയ്യൂ (ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്ന മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജം വളരെ ചെറുതായിരിക്കും). അതിനാൽ, ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ ഒപ്റ്റിമൽ ആയി ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയില്ല. തുടർച്ചയായി ജോലി ചെയ്താൽ ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ ഒപ്റ്റിമൽ ആയി ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയും. മറ്റൊരു വിധത്തിൽ പറഞ്ഞാൽ, ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്ന മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജം എന്തെങ്കിലും നീക്കാൻ ഉപയോഗിക്കാൻ പര്യാപ്തമാണ്.

ആവി എഞ്ചിൻ

സ്റ്റീം എഞ്ചിനുകൾ താപ കൈമാറ്റ മാധ്യമമായി ജലബാഷ്പം ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഒരു സ്റ്റീം എഞ്ചിന്റെ പ്രവർത്തന പദാർത്ഥം എന്നാണ് നീരാവി അറിയപ്പെടുന്നത്. രണ്ട് തരം സ്റ്റീം എഞ്ചിനുകൾ ഉണ്ട്: റെസിപ്രോക്കേറ്റിംഗ് സ്റ്റീം എഞ്ചിനുകൾ, ടർബൈൻ സ്റ്റീം എഞ്ചിനുകൾ (സ്റ്റീം ടർബൈനുകൾ). അവയുടെ രൂപകൽപ്പനയിൽ നേരിയ വ്യത്യാസമുണ്ട്, പക്ഷേ രണ്ട് തരത്തിനും സമാനതകളുണ്ട്: എണ്ണ, വാതകം, കൽക്കരി അല്ലെങ്കിൽ ആണവോർജ്ജം എന്നിവ കത്തിച്ച് ചൂടാക്കിയ നീരാവി അവ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

റെസിപ്രോക്കേറ്റിംഗ് ടൈപ്പ് സ്റ്റീം എഞ്ചിൻ

ഒരു പാത്രത്തിലെ വെള്ളം സാധാരണയായി ഉയർന്ന മർദ്ദത്തിലാണ് ചൂടാക്കുന്നത്. ഉയർന്ന മർദ്ദത്തിൽ ചൂടാക്കുന്നതിനാൽ, തിളയ്ക്കൽ പ്രക്രിയ ഉയർന്ന താപനിലയിലാണ് സംഭവിക്കുന്നത്. താപനില മർദ്ദത്തിന് നേരിട്ട് ആനുപാതികമാണ്. നീരാവിയുടെ താപനില കൂടുന്തോറും നീരാവി മർദ്ദം വർദ്ധിക്കും. ഈ ഉയർന്ന താപനില അല്ലെങ്കിൽ ഉയർന്ന മർദ്ദമുള്ള നീരാവി ഇൻലെറ്റ് വാൽവിലൂടെ നീങ്ങുകയും പിസ്റ്റണിനെതിരെ വികസിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. അത് വികസിക്കുമ്പോൾ, നീരാവി പിസ്റ്റണിനെ തള്ളുന്നു, ഇത് അത് വലത്തേക്ക് നീങ്ങാൻ കാരണമാകുന്നു.

നീരാവിയിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന താപത്തിന്റെ ഒരു ഭാഗം ഗതികോർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. പിസ്റ്റൺ വലത്തേക്ക് നീങ്ങുമ്പോൾ, പിസ്റ്റണുമായി ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്ന ചക്രം കറങ്ങുന്നു (1). പകുതി ഭ്രമണത്തിനുശേഷം, ചക്രം പിസ്റ്റണിനെ അതിന്റെ യഥാർത്ഥ സ്ഥാനത്തേക്ക് തിരികെ തള്ളുന്നു (2). പിസ്റ്റൺ ഇടത്തേക്ക് നീങ്ങുമ്പോൾ, ഇൻലെറ്റ് വാൽവ് യാന്ത്രികമായി അടയുന്നു, അതേസമയം എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് വാൽവ് യാന്ത്രികമായി തുറക്കുന്നു. കണ്ടൻസർ നീരാവി ഘനീഭവിപ്പിച്ച് മഞ്ഞായി മാറുന്നു. അടുത്തതായി, കണ്ടൻസറിലെ വെള്ളം വീണ്ടും തിളപ്പിക്കുന്നതിനായി കണ്ടെയ്‌നറിലേക്ക് തിരികെ പമ്പ് ചെയ്യുന്നു. അങ്ങനെ... പ്രക്രിയ ആവർത്തിച്ച് സംഭവിക്കുന്നതിനാൽ, പിസ്റ്റൺ വലത്തോട്ടും ഇടത്തോട്ടും തുടർച്ചയായി നീങ്ങുന്നു. പിസ്റ്റൺ വലത്തോട്ടും ഇടത്തോട്ടും തുടർച്ചയായി നീങ്ങുന്നതിനാൽ, ചക്രവും തുടർച്ചയായി കറങ്ങുന്നു. ചക്രത്തിന്റെ ഭ്രമണം സാധാരണയായി എന്തെങ്കിലും നീക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

സ്റ്റീം ടർബൈൻ

ഒരു സ്റ്റീം ടർബൈനിന്റെ പ്രവർത്തന തത്വം അടിസ്ഥാനപരമായി ഒരു റെസിപ്രോക്കേറ്റിംഗ് സ്റ്റീം എഞ്ചിന്റെ പ്രവർത്തന തത്വത്തിന് സമാനമാണ്. ഒരു റെസിപ്രോക്കേറ്റിംഗ് സ്റ്റീം എഞ്ചിൻ ഒരു പിസ്റ്റൺ ഉപയോഗിക്കുന്നു, അതേസമയം ഒരു സ്റ്റീം ടർബൈൻ ഒരു ടർബൈൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു എന്നതാണ് വ്യത്യാസം. ഒരു റെസിപ്രോക്കേറ്റിംഗ് സ്റ്റീം എഞ്ചിനിൽ, താപം ആദ്യം പിസ്റ്റണിന്റെ ട്രാൻസ്ലേഷണൽ ഗതികോർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. അതിനുശേഷം, പിസ്റ്റണിന്റെ ട്രാൻസ്ലേഷണൽ ഗതികോർജ്ജം ഭ്രമണ ചക്രത്തിന്റെ ഭ്രമണ ഗതികോർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഒരു സ്റ്റീം ടർബൈനിൽ, താപം നേരിട്ട് ടർബൈനിന്റെ ഭ്രമണ ഗതികോർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. മർദ്ദ വ്യത്യാസം കാരണം ടർബൈന് ഭ്രമണം ചെയ്യാൻ കഴിയും. ബ്ലേഡിന് മുകളിലുള്ള നീരാവിയുടെ താപനില ബ്ലേഡിന് താഴെയുള്ള നീരാവിയുടെ താപനിലയേക്കാൾ വളരെ കൂടുതലാണ്. ടർബൈനിന്റെ മധ്യഭാഗത്ത് സ്ഥിതിചെയ്യുന്ന ഒരു നേർത്ത പ്ലേറ്റാണ് ബ്ലേഡ്. താപനില മർദ്ദത്തിന് നേരിട്ട് ആനുപാതികമാണ്. ബ്ലേഡിന് മുകളിലുള്ള നീരാവിയുടെ താപനില ബ്ലേഡിന് താഴെയുള്ള നീരാവിയുടെ താപനിലയേക്കാൾ കൂടുതലായതിനാൽ, ബ്ലേഡിന് മുകളിലുള്ള നീരാവി മർദ്ദം ബ്ലേഡിന് താഴെയുള്ള മർദ്ദത്തേക്കാൾ കൂടുതലാണ്. ഈ മർദ്ദ വ്യത്യാസം നീരാവി ബ്ലേഡിനെ താഴേക്ക് തള്ളാൻ കാരണമാകുന്നു, ഇത് ടർബൈൻ ഭ്രമണം ചെയ്യാൻ കാരണമാകുന്നു. ടർബൈൻ ഭ്രമണത്തിന്റെ ദിശ ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു.

മുകളിൽ വിശദീകരിച്ച ഊർജ്ജ കൈമാറ്റ രേഖാചിത്രത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയാണ് ഒരു സ്റ്റീം എഞ്ചിന്റെ പ്രവർത്തന തത്വം എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ്. ഈ സാഹചര്യത്തിൽ, ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ഒരു വസ്തുവിൽ നിന്നോ സ്ഥലത്ത് നിന്നോ കുറഞ്ഞ താപനിലയുള്ള ഒരു വസ്തുവിലേക്കോ സ്ഥലത്തേക്കോ താപം ഒഴുകാൻ അനുവദിക്കുന്നതിലൂടെ മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജം ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയും. അതിനാൽ, ഒരു സ്റ്റീം എഞ്ചിനിൽ താപനില വ്യത്യാസം അത്യാവശ്യമാണ്.

ഒരു റെസിപ്രോക്കേറ്റിംഗ് സ്റ്റീം എഞ്ചിൻ എങ്ങനെ പ്രവർത്തിക്കുന്നുവെന്ന് നിങ്ങൾ ശ്രദ്ധിച്ചാൽ, താപനില വ്യത്യാസമില്ലെങ്കിൽ പോലും (കണ്ടൻസറോ പമ്പോ ഇല്ല) പിസ്റ്റണിന് ഇടത്തോട്ടും വലത്തോട്ടും നീങ്ങാൻ കഴിയുമെന്ന് നിങ്ങൾ ശ്രദ്ധിക്കും. ഉയർന്ന താപനിലയിലോ ഉയർന്ന മർദ്ദത്തിലോ ഉള്ള നീരാവിയുടെ വികാസം കാരണം പിസ്റ്റണിന് വലത്തോട്ടും നീങ്ങാൻ കഴിയും. ഈ സാഹചര്യത്തിൽ, നീരാവിയിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന താപത്തിന്റെ ഒരു ഭാഗം പിസ്റ്റണിന്റെ വിവർത്തന ഗതികോർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. പിസ്റ്റണിന്റെ ഈ വിവർത്തന ഗതികോർജ്ജം പിന്നീട് ഭ്രമണ ചക്രത്തിന്റെ ഭ്രമണ ഗതികോർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. പകുതി ഭ്രമണം പൂർത്തിയാക്കിയ ശേഷം, ചക്രം പിസ്റ്റണിനെ ഇടത്തേക്ക് തള്ളിവിടുന്നു. ചക്രം പിസ്റ്റണിനെ ഇടത്തേക്ക് തള്ളിവിടുമ്പോൾ, ചക്രത്തിന്റെ ഭ്രമണ ഗതികോർജ്ജം വീണ്ടും പിസ്റ്റണിന്റെ വിവർത്തന ഗതികോർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. പിസ്റ്റൺ ഇടത്തേക്ക് നീങ്ങുമ്പോൾ, അത് സിലിണ്ടറിലെ നീരാവിയെ പുറത്തേക്ക് തള്ളിവിടുന്നു. അതേ സമയം, എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് വാൽവ് തുറക്കുന്നു.

അങ്ങനെ, പിസ്റ്റൺ തള്ളുന്ന നീരാവി അതിന്റെ സുഹൃത്തിനെ എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് വാൽവിനടിയിൽ തള്ളും. ഇനി, എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് വാൽവിന് താഴെയുള്ള നീരാവിയുടെ താപനില പിസ്റ്റൺ തള്ളുന്ന നീരാവിയുടെ താപനിലയ്ക്ക് തുല്യമാണെങ്കിൽ, പിസ്റ്റണിന്റെ എല്ലാ വിവർത്തന ഗതികോർജ്ജവും നീരാവിയുടെ ആന്തരിക ഊർജ്ജമായി തിരികെ പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടും. ആന്തരിക ഊർജ്ജം താപനിലയ്ക്ക് നേരിട്ട് ആനുപാതികമാണ്. നീരാവിയുടെ ആന്തരിക ഊർജ്ജം വർദ്ധിക്കുകയാണെങ്കിൽ, നീരാവിയുടെ താപനില വർദ്ധിക്കും. താപനില മർദ്ദത്തിന് നേരിട്ട് ആനുപാതികമാണ്. നീരാവിയുടെ താപനില വർദ്ധിക്കുകയാണെങ്കിൽ, നീരാവിയുടെ മർദ്ദവും വർദ്ധിക്കും. അങ്ങനെ, എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് വാൽവിലൂടെ പുറത്തുവിടുന്ന നീരാവിയുടെ മർദ്ദം ഇൻലെറ്റ് വാൽവിലൂടെ പ്രവേശിക്കുന്ന നീരാവിയുടെ മർദ്ദത്തിന് തുല്യമാണ്. പിസ്റ്റൺ തുടർച്ചയായി വലത്തോട്ടും ഇടത്തോട്ടും നീങ്ങുന്നത് തുടരും, പക്ഷേ ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയുന്ന മൊത്തം ഗതികോർജ്ജം ഉണ്ടാകില്ല (മൊത്തം ജോലി ഉണ്ടാകില്ല). അതിനാൽ വികാസ പ്രക്രിയയിൽ പിസ്റ്റൺ സ്വീകരിക്കുന്ന ഗതികോർജ്ജം (പിസ്റ്റൺ വലത്തോട്ട് നീങ്ങുന്നു) കംപ്രഷൻ പ്രക്രിയയിൽ നീരാവിക്ക് തിരികെ നൽകും (പിസ്റ്റൺ ഇടത്തോട്ട് നീങ്ങുന്നു).

ഒരു സ്റ്റീം എഞ്ചിനിലും താപനില വ്യത്യാസം ആവശ്യമാണെന്ന് നിഗമനം ചെയ്യുന്നു. ഒരു സ്റ്റീം എഞ്ചിനിൽ ഈ താപനില വ്യത്യാസം ഒരു കണ്ടൻസർ ഉപയോഗിച്ചാണ് നേടാനാകുന്നത്. എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് വാൽവിന് താഴെയുള്ള നീരാവിയുടെ താപനിലയും മർദ്ദവും സിലിണ്ടറിലെ നീരാവിയുടെ താപനിലയെയും മർദ്ദത്തെയും അപേക്ഷിച്ച് വളരെ കുറവായിരിക്കുമ്പോൾ, പിസ്റ്റൺ ഇടതുവശത്തേക്ക് തിരികെ നീങ്ങുമ്പോൾ, പിസ്റ്റൺ നീരാവിയിൽ ചെലുത്തുന്ന സമ്മർദ്ദത്തിന്റെ അളവ്, പിസ്റ്റൺ വലത്തേക്ക് നീങ്ങുമ്പോൾ നീരാവി പിസ്റ്റണിൽ ചെലുത്തുന്ന സമ്മർദ്ദത്തേക്കാൾ വളരെ ചെറുതായിരിക്കും. മറ്റൊരു വിധത്തിൽ പറഞ്ഞാൽ, നീരാവിയിൽ പിസ്റ്റൺ ചെയ്യുന്ന ജോലിയുടെ അളവ് പിസ്റ്റണിൽ നീരാവി ചെയ്യുന്ന ജോലിയുടെ അളവിനേക്കാൾ വളരെ ചെറുതാണ്. അതിനാൽ പിസ്റ്റണിന്റെ ഗതികോർജ്ജത്തിന്റെ ഒരു ചെറിയ ഭാഗം മാത്രമേ നീരാവിയിൽ തിരികെ നൽകൂ. അങ്ങനെ, മൊത്തം ഗതികോർജ്ജം അല്ലെങ്കിൽ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന മൊത്തം ജോലി ഉണ്ടാകും. ഈ മൊത്തം ഗതികോർജ്ജം എന്തെങ്കിലും നീക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിൻ

മോട്ടോർ സൈക്കിൾ, കാർ എഞ്ചിനുകൾ ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനുകളുടെ ഉദാഹരണങ്ങളാണ്. ജ്വലന പ്രക്രിയ ഒരു അടഞ്ഞ സിലിണ്ടറിനുള്ളിൽ നടക്കുന്നതിനാലാണ് അവയെ ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനുകൾ എന്ന് വിളിക്കുന്നത്. തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ ആദ്യ നിയമത്തിൽ വിശദീകരിച്ചിരിക്കുന്ന അഡിയബാറ്റിക് കംപ്രഷൻ, വികാസം എന്നീ ആശയങ്ങൾ എഞ്ചിനീയറിംഗ് ചെയ്തതിന്റെ ഫലമാണ് ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനുകൾ.

ഗ്യാസോലിനും ഡീസലും ഇന്ധനമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനുകളെ മാത്രമേ നമ്മൾ പരിഗണിക്കൂ. ഗ്യാസോലിനും ഡീസലും പെട്രോളിയം ഉൽപ്പന്നങ്ങളാണ്, അതിനാൽ അവയ്ക്ക് രാസ പൊട്ടൻഷ്യൽ എനർജി ഉണ്ട്. ജ്വലന പ്രക്രിയയിലൂടെ ഗ്യാസോലിനിലെയും ഡീസലിലെയും രാസ പൊട്ടൻഷ്യൽ എനർജി ആദ്യം താപമാക്കി മാറ്റപ്പെടുന്നു. ജ്വലനത്തിലൂടെ ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന താപം പിന്നീട് മെക്കാനിക്കൽ എനർജിയായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഈ മെക്കാനിക്കൽ എനർജിയാണ് ഒരു മോട്ടോർ സൈക്കിളിനെയോ കാറിനെയോ ചലിപ്പിക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നത്. ഒരു ഗ്യാസോലിൻ എഞ്ചിനിലെ സൈക്കിളിനെ ഓട്ടോ സൈക്കിൾ എന്നും, ഒരു ഡീസൽ എഞ്ചിനിലെ സൈക്കിളിനെ ഡീസൽ സൈക്കിൾ എന്നും വിളിക്കുന്നു. ഒരു സൈക്കിൾ ഒരു റിവേഴ്‌സിബിൾ തെർമോഡൈനാമിക് പ്രക്രിയയാണ്. ആദ്യം നമുക്ക് ഓട്ടോ സൈക്കിളിനെക്കുറിച്ച് ചർച്ച ചെയ്യാം.

ഓട്ടോ സൈക്കിൾ

ഒരു ഫോർ-സ്ട്രോക്ക് ഇന്റേണൽ കംബസ്റ്റൻ എഞ്ചിന്റെ ഒരു ഡയഗ്രമാണിത്. പിസ്റ്റൺ താഴേക്ക് നീങ്ങുമ്പോൾ വായുവിന്റെയും ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയുടെയും മിശ്രിതം കാർബ്യൂറേറ്ററിൽ നിന്ന് സിലിണ്ടറിലേക്ക് ഒഴുകുന്നു (ഇൻടേക്ക് സ്ട്രോക്ക്). പിസ്റ്റൺ മുകളിലേക്ക് നീങ്ങുമ്പോൾ സിലിണ്ടറിലെ വായുവിന്റെയും ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയുടെയും മിശ്രിതം അഡിയാബാറ്റിക് ആയി കംപ്രസ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു (കംപ്രഷൻ സ്ട്രോക്ക്). ഇത് അഡിയാബാറ്റിക് ആയി കംപ്രസ് ചെയ്യപ്പെടുന്നതിനാൽ, മിശ്രിതത്തിന്റെ താപനിലയും മർദ്ദവും വർദ്ധിക്കുന്നു. അതേസമയം, സ്പാർക്ക് പ്ലഗ് മിശ്രിതത്തെ ജ്വലിപ്പിക്കുകയും ജ്വലിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. അത് കത്തുമ്പോൾ, വാതകത്തിന്റെ താപനിലയും മർദ്ദവും വർദ്ധിക്കുന്നു. ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള, ഉയർന്ന മർദ്ദമുള്ള വാതകം പിസ്റ്റണിനെതിരെ വികസിക്കുകയും അതിനെ താഴേക്ക് തള്ളുകയും ചെയ്യുന്നു (എക്സ്പാൻഷൻ സ്ട്രോക്ക്). കത്തിച്ച വാതകം പിന്നീട് എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് വാൽവിലൂടെ പുറത്തുവിടുകയും എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് പൈപ്പിലേക്ക് (എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് സ്ട്രോക്ക്) നയിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇൻടേക്ക് വാൽവ് വീണ്ടും തുറക്കുന്നു, നാല് സ്ട്രോക്കുകൾ ആവർത്തിക്കുന്നു.

അഡിയബാറ്റിക് കംപ്രഷൻ സ്ട്രോക്കിന്റെ ഉദ്ദേശ്യം വായു-ഗ്യാസോലിൻ നീരാവി മിശ്രിതത്തിന്റെ താപനിലയും മർദ്ദവും വർദ്ധിപ്പിക്കുക എന്നതാണ് എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ്. ഉയർന്ന മർദ്ദത്തിലുള്ള ജ്വലനം വളരെ ഉയർന്ന താപനിലയും മർദ്ദവും ഉണ്ടാക്കുന്നു. തൽഫലമായി, വികാസ പ്രക്രിയയിൽ സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്ന ത്രസ്റ്റ് (F = PA) വളരെ വലുതാണ്. ഇത് ഒരു മോട്ടോർ സൈക്കിൾ അല്ലെങ്കിൽ കാർ എഞ്ചിൻ കൂടുതൽ ശക്തമാകുന്നതിന് കാരണമാകുന്നു. കംപ്രഷൻ ഇല്ലെങ്കിലും, സ്പാർക്ക് പ്ലഗ് ഒരു സ്പാർക്ക് സൃഷ്ടിക്കുമ്പോൾ എയർ-ഗ്യാസോലിൻ നീരാവി മിശ്രിതം ജ്വലിച്ചേക്കാം. എന്നിരുന്നാലും, ജ്വലിച്ച വാതകത്തിന്റെ താപനിലയും മർദ്ദവും വളരെ ഉയർന്നതല്ല, അതിനാൽ തത്ഫലമായുണ്ടാകുന്ന ത്രസ്റ്റും ചെറുതാണ്. തൽഫലമായി, എഞ്ചിൻ ശക്തി കുറഞ്ഞതായി മാറുന്നു.

ഒരു ഫോർ-സ്ട്രോക്ക് ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനിലെ ഊർജ്ജ പരിവർത്തനത്തിന്റെയും ഊർജ്ജ കൈമാറ്റത്തിന്റെയും പ്രക്രിയയെ ഇനിപ്പറയുന്ന രീതിയിൽ വിശദീകരിക്കാം: ജ്വലന സമയത്ത്, ഗ്യാസോലിനിലെ രാസ പൊട്ടൻഷ്യൽ എനർജിയും വായുവിലെ എനർജിയും താപമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ചില താപം പിസ്റ്റൺ റോഡിലും ക്രാങ്ക്ഷാഫ്റ്റിലും മെക്കാനിക്കൽ എനർജിയായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു, അതേസമയം ചിലത് എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് പൈപ്പിലൂടെ പുറത്തുവിടുന്നു. പിസ്റ്റൺ റോഡിലെയും ക്രാങ്ക്ഷാഫ്റ്റിലെയും മെക്കാനിക്കൽ എനർജിയുടെ ഭൂരിഭാഗവും വാഹനത്തിൽ (വാഹനം ചലിപ്പിക്കുമ്പോൾ) മെക്കാനിക്കൽ എനർജിയായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു, അതേസമയം ഒരു ചെറിയ ഭാഗം താപമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഘർഷണം വഴിയാണ് താപം ഉണ്ടാകുന്നത്.

ഓട്ടോ സൈക്കിളിലെ അഡിയബാറ്റിക് വികാസവും കംപ്രഷൻ പ്രക്രിയയും താഴെയുള്ള ഡയഗ്രം ഉപയോഗിച്ച് ചിത്രീകരിക്കാം. ഗ്യാസോലിൻ ഉപയോഗിച്ച് പ്രവർത്തിക്കുന്ന ഒരു ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനിൽ സംഭവിക്കുന്ന തെർമോഡൈനാമിക് പ്രക്രിയകളുടെ ഒരു ആദർശവൽക്കരിച്ച മാതൃക ഈ ഡയഗ്രം കാണിക്കുന്നു.

വായുവും ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയും ചേർന്ന മിശ്രിതം സിലിണ്ടറിലേക്ക് പ്രവേശിക്കുന്നു (a). തുടർന്ന് വായുവും ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയും ചേർന്ന മിശ്രിതം അഡിയബാറ്റിക് ആയി കംപ്രസ് ചെയ്യുന്നു (a‐b). സിലിണ്ടറിന്റെ അളവ് കുറയുന്നു എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കുക. വായുവും ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയും ചേർന്ന മിശ്രിതം സ്ഥിരമായ വ്യാപ്തത്തിൽ ചൂടാക്കപ്പെടുന്നു - മിശ്രിതം കത്തിക്കുന്നു (b‐c). കത്തിച്ച വാതകം അഡിയബാറ്റിക് വികാസത്തിന് വിധേയമാകുന്നു (c‐d). സ്ഥിരമായ വ്യാപ്തത്തിൽ തണുപ്പിക്കുന്നു - കത്തിച്ച വാതകം എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് പൈപ്പിലേക്ക് ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു, വായു + ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയുടെ ഒരു പുതിയ മിശ്രിതം സിലിണ്ടറിലേക്ക് പ്രവേശിക്കുന്നു (d‐a).

വായുവും ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയും ചേർന്ന മിശ്രിതം സിലിണ്ടറിലേക്ക് പ്രവേശിക്കുന്നു (a). തുടർന്ന് വായുവും ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയും ചേർന്ന മിശ്രിതം അഡിയബാറ്റിക് ആയി കംപ്രസ് ചെയ്യുന്നു (a‐b). സിലിണ്ടറിന്റെ അളവ് കുറയുന്നു എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കുക. വായുവും ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയും ചേർന്ന മിശ്രിതം സ്ഥിരമായ വ്യാപ്തത്തിൽ ചൂടാക്കപ്പെടുന്നു - മിശ്രിതം കത്തിക്കുന്നു (b‐c). കത്തിച്ച വാതകം അഡിയബാറ്റിക് വികാസത്തിന് വിധേയമാകുന്നു (c‐d). സ്ഥിരമായ വ്യാപ്തത്തിൽ തണുപ്പിക്കുന്നു - കത്തിച്ച വാതകം എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് പൈപ്പിലേക്ക് ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു, വായു + ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയുടെ ഒരു പുതിയ മിശ്രിതം സിലിണ്ടറിലേക്ക് പ്രവേശിക്കുന്നു (d‐a).

ഡീസൽ സൈക്കിൾ

ഡീസൽ എഞ്ചിന്റെ പ്രവർത്തന തത്വം ഒരു ഗ്യാസോലിൻ എഞ്ചിന്റേതിന് സമാനമാണ്. വ്യത്യാസം പ്രാരംഭ അഡിയബാറ്റിക് കംപ്രഷൻ ഘട്ടത്തിലാണ് (അഡിയബാറ്റിക് കംപ്രഷൻ = കംപ്രഷൻ വളരെ വേഗത്തിൽ ചെയ്യുന്നതിനാൽ താപത്തിന് സിസ്റ്റത്തിലേക്കും പുറത്തേക്കും ഒഴുകാൻ സമയമില്ല. ഈ സാഹചര്യത്തിൽ സിസ്റ്റം ഒരു സിലിണ്ടറാണ്). ഒരു ഗ്യാസോലിൻ എഞ്ചിനിൽ, കംപ്രസ് ചെയ്യുന്നത് വായുവിന്റെയും ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയുടെയും മിശ്രിതമാണ്, ഒരു ഡീസൽ എഞ്ചിനിൽ വായു മാത്രമേ കംപ്രസ് ചെയ്യപ്പെടുന്നുള്ളൂ. അഡിയബാറ്റിക് കംപ്രഷൻ വായുവിന്റെ താപനിലയും മർദ്ദവും വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിന് കാരണമാകുന്നു. അടുത്തതായി, ഇൻജക്ടർ, അല്ലെങ്കിൽ ഇൻജക്ടർ, ഡീസൽ സ്പ്രേ ചെയ്യുന്നു. വായുവിന്റെ താപനിലയും മർദ്ദവും ഇതിനകം വളരെ ഉയർന്നതായതിനാൽ, സിലിണ്ടറിലേക്ക് ഡീസൽ സ്പ്രേ ചെയ്യുമ്പോൾ, ഡീസൽ ഉടൻ തന്നെ കത്തുന്നു. ഒരു സ്പാർക്ക് പ്ലഗിന്റെ ആവശ്യമില്ല. താഴെയുള്ള ഡയഗ്രാമിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്ന മർദ്ദ മൂല്യം ശ്രദ്ധിക്കുക. ഓട്ടോ സൈക്കിൾ ഡയഗ്രാമിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്ന മർദ്ദ മൂല്യവുമായി ഇത് താരതമ്യം ചെയ്യുക .

ഈ ഡയഗ്രം ഒരു ആദർശ ഡീസൽ ചക്രം കാണിക്കുന്നു. തുടക്കത്തിൽ, വായു അഡിയബാറ്റിക് ആയി കംപ്രസ് ചെയ്യുന്നു (a-b), തുടർന്ന് സ്ഥിരമായ മർദ്ദത്തിൽ ചൂടാക്കുന്നു - ഇൻജക്ടർ ഡീസൽ സ്പ്രേ ചെയ്യുകയും ജ്വലനം സംഭവിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു (b-c), കത്തിച്ച വാതകം അഡിയബാറ്റിക് വികാസത്തിന് വിധേയമാകുന്നു (c-d), സ്ഥിരമായ അളവിൽ തണുക്കുന്നു - കത്തിച്ച വാതകം എക്‌സ്‌ഹോസ്റ്റ് പൈപ്പിലൂടെ പുറന്തള്ളപ്പെടുകയും ശുദ്ധവായു സിലിണ്ടറിലേക്ക് പ്രവേശിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു (d-a).

മുകളിലുള്ള വിശദീകരണത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, ഓരോ ഹീറ്റ് എഞ്ചിനും അടിസ്ഥാനപരമായി ഒരു പ്രത്യേക പ്രവർത്തന പദാർത്ഥം ഉണ്ടെന്ന് നിഗമനം ചെയ്യാം. ഒരു സ്റ്റീം എഞ്ചിന്റെ പ്രവർത്തന പദാർത്ഥം വെള്ളമാണ്, ഒരു ഗ്യാസോലിൻ എഞ്ചിന്റെ പ്രവർത്തന പദാർത്ഥം വായുവും ഗ്യാസോലിൻ നീരാവിയും ആണ്, ഒരു ഡീസൽ എഞ്ചിന്റെ പ്രവർത്തന പദാർത്ഥം വായുവും ഡീസലും ആണ്. പ്രവർത്തിക്കുന്ന പദാർത്ഥം സാധാരണയായി ഉയർന്ന താപനിലയിൽ താപം ആഗിരണം ചെയ്യുന്നു (Q _H ), പ്രവർത്തിക്കുന്നു (W), തുടർന്ന് കുറഞ്ഞ താപനിലയിൽ (Q _L ) ശേഷിക്കുന്ന താപം പുറത്തുവിടുന്നു. ഊർജ്ജം സംരക്ഷിക്കപ്പെടുന്നതിനാൽ, Q _H = W + Q _L.

ഹീറ്റ് എഞ്ചിന്റെ കാര്യക്ഷമത

ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിന്റെ കാര്യക്ഷമത (e) എന്നത് എഞ്ചിൻ ചെയ്യുന്ന ജോലി (W) യും ഉയർന്ന താപനിലയിൽ (Q _H ) താപ ഇൻപുട്ടും തമ്മിലുള്ള അനുപാതമാണ്. ഗണിതശാസ്ത്രപരമായി, ഇത് ഇങ്ങനെ എഴുതാം:

W എന്നത് നമുക്ക് ലഭിക്കുന്ന ലാഭമാണ്, അതേസമയം QH _{എന്നത്} ഇന്ധനം വാങ്ങുന്നതിനും കത്തിക്കുന്നതിനും നമുക്ക് ഉണ്ടാകുന്ന ചെലവാണ്. സാധ്യമായ ഏറ്റവും വലിയ ലാഭവും സാധ്യമായ ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ ചെലവും എപ്പോഴും നേടാൻ ആഗ്രഹിക്കുന്ന മനുഷ്യരെന്ന നിലയിൽ, നമുക്ക് ലഭിക്കുന്ന ലാഭം (W) നമ്മൾ വരുത്തുന്ന ചെലവിന് (QH) ആനുപാതികമായിരിക്കണമെന്ന് ഞങ്ങൾ ശരിക്കും പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു. അത് സാധ്യമാണോ?

ഊർജ്ജ സംരക്ഷണത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, ഇൻപുട്ട് താപം (Q _{H ) ചെയ്ത ജോലി (W) + പുറത്തുവിടുന്ന താപം (Q L} ) എന്നിവയ്ക്ക് തുല്യമായിരിക്കണം . ഗണിതശാസ്ത്രപരമായി:

ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിന്റെ കാര്യക്ഷമത ശതമാനമായി പ്രകടിപ്പിക്കാൻ, കാര്യക്ഷമത സമവാക്യത്തെ 100% കൊണ്ട് ഗുണിച്ചാൽ മതി. മുകളിലുള്ള കാര്യക്ഷമത സമവാക്യത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ നിരസിക്കുന്ന താപം (Q _{L ) എത്രത്തോളം കൂടുന്നുവോ അത്രത്തോളം അതിന്റെ കാര്യക്ഷമത കുറയും. നിരസിക്കപ്പെടുന്ന താപം (Q L} ) കഴിയുന്നത്ര കുറവായിരിക്കണമെന്ന് ഞങ്ങൾ ആഗ്രഹിക്കുന്നു . എന്നിരുന്നാലും, ഹീറ്റ് ഇൻപുട്ട് (Q _H ) സാധാരണയായി ലഭിക്കുന്നത് എണ്ണ, കൽക്കരി, വാതകം മുതലായവ (നമ്മൾ പണം നൽകുന്ന ഇന്ധനങ്ങൾ) കത്തിച്ചാണ്.

അതുകൊണ്ട്, എല്ലാ ഹീറ്റ് എഞ്ചിനുകളും കഴിയുന്നത്ര കാര്യക്ഷമമായിരിക്കാനാണ് രൂപകൽപ്പന ചെയ്തിരിക്കുന്നത്. ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ ചെലവിൽ നിന്ന് പരമാവധി പ്രയോജനം നേടാൻ ഞങ്ങൾ ആഗ്രഹിക്കുന്നുണ്ടെങ്കിലും, യാഥാർത്ഥ്യം എന്തെന്നാൽ, നീരാവി എഞ്ചിനുകൾ സാധാരണയായി ഏകദേശം 40% കാര്യക്ഷമമാണ്, അതേസമയം ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനുകൾ ഏകദേശം 50% ആണ്. ഇതിനർത്ഥം ഇന്ധനം കത്തിക്കുന്നതിലൂടെ ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന താപത്തിന്റെ പകുതി പാഴാകുന്നു എന്നാണ്. പകുതി മാത്രമേ മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നുള്ളൂ.

ഉദാഹരണ ചോദ്യം 1:

ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ 3000 ജൂൾ താപം (Q _H ) ആഗിരണം ചെയ്യുകയും (W ) ജോലി ചെയ്യുകയും 2500 ജൂൾ താപം (Q _L ) പുറത്തുവിടുകയും ചെയ്യുന്നു. ഹീറ്റ് എഞ്ചിന്റെ കാര്യക്ഷമത എന്താണ്?

ചർച്ച

ഉദാഹരണ ചോദ്യം 2:

ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ 3000 ജൂൾ താപം (Q _H ) ആഗിരണം ചെയ്യുകയും (W ) പ്രവർത്തിക്കുകയും 2000 ജൂൾ താപം (Q _L ) പുറത്തുവിടുകയും ചെയ്യുന്നു. ഹീറ്റ് എഞ്ചിന്റെ കാര്യക്ഷമത എന്താണ്?

ചർച്ച

ഉദാഹരണ ചോദ്യം 3:

ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ 3000 ജൂൾ താപം (Q _H ) ആഗിരണം ചെയ്യുകയും (W ) പ്രവർത്തിക്കുകയും 1500 ജൂൾ താപം (Q _L ) പുറത്തുവിടുകയും ചെയ്യുന്നു. ഹീറ്റ് എഞ്ചിന്റെ കാര്യക്ഷമത എന്താണ്?

ചർച്ച