മാറ്റാനാവാത്ത തെർമോഡൈനാമിക് പ്രക്രിയകളെ വിശദീകരിക്കാൻ, ശാസ്ത്രജ്ഞർ തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാമത്തെ നിയമം രൂപപ്പെടുത്തി. പ്രപഞ്ചത്തിൽ ഏതൊക്കെ പ്രക്രിയകൾ സംഭവിക്കാം, ഏതൊക്കെ പ്രക്രിയകൾ സംഭവിക്കാൻ കഴിയില്ല എന്ന് തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാമത്തെ നിയമം വിശദീകരിക്കുന്നു. ആർ‌ജെ‌ഇ ക്ലോഷ്യസ് (1822-1888) എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ഇനിപ്പറയുന്ന പ്രസ്താവന നടത്തി:
സ്വാഭാവികമായും, താപം ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള വസ്തുക്കളിൽ നിന്ന് താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള വസ്തുക്കളിലേക്ക് നീങ്ങുന്നു; സ്വാഭാവികമായും, താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള വസ്തുക്കളിൽ നിന്ന് ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള വസ്തുക്കളിലേക്ക് താപം നീങ്ങുന്നില്ല (താപവൈദ്യശാസ്ത്രത്തിന്റെ രണ്ടാം നിയമം - ക്ലോഷ്യസിന്റെ പ്രസ്താവന).
ക്ലോഷ്യസിന്റെ പ്രസ്താവന തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാം നിയമത്തിലെ പ്രത്യേക പ്രസ്താവനകളിൽ ഒന്നാണ്. താപ കൈമാറ്റവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ഒരു പ്രക്രിയയ്ക്ക് മാത്രമേ ഇത് ബാധകമാകൂ എന്നതിനാലാണ് ഇതിനെ പ്രത്യേക പ്രസ്താവന എന്ന് വിളിക്കുന്നത്. ഈ പ്രസ്താവന മറ്റ് പ്രക്രിയകളുമായി ബന്ധപ്പെട്ടതല്ലാത്തതിനാൽ, നമുക്ക് കൂടുതൽ പൊതുവായ ഒരു പ്രസ്താവന ആവശ്യമാണ്. തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാം നിയമത്തിന്റെ ഒരു പൊതു പ്രസ്താവനയുടെ വികസനം താപ എഞ്ചിനുകളുടെ പഠനത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ളതാണ്. അതിനാൽ, നമ്മൾ ആദ്യം എഞ്ചിൻ താപത്തെക്കുറിച്ച് ചർച്ച ചെയ്യുന്നു.
ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ
നമ്മൾ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഊർജ്ജത്തിന്റെ ഭൂരിഭാഗവും പെട്രോളിയം, ഗ്യാസ്, കൽക്കരി എന്നിവയിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന കെമിക്കൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ എനർജിയിൽ നിന്നാണ്. നേരിട്ട് ഉപയോഗിക്കുന്നതിന് ഉപയോഗിക്കുന്ന കെമിക്കൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ എനർജി ആദ്യം കത്തിക്കണം. സാധാരണയായി, ഫോസിൽ ഇന്ധനങ്ങൾ (എണ്ണ, ഗ്യാസ്, കൽക്കരി) കത്തിക്കുന്നത് താപം ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു. ഭക്ഷണം പാകം ചെയ്യുന്നതിനും മുറി ചൂടാക്കുന്നതിനും ചൂട് നേരിട്ട് ഉപയോഗിക്കാം. എന്തെങ്കിലും നീക്കാൻ (ഉദാഹരണത്തിന് ഒരു വാഹനം നീക്കാൻ), നമ്മൾ താപത്തെ ഗതികോർജ്ജമായോ മെക്കാനിക്കൽ എനർജിയായോ (മെക്കാനിക്കൽ എനർജി = പൊട്ടൻഷ്യൽ എനർജി + ഗതികോർജ്ജമായോ) പരിവർത്തനം ചെയ്യണം.
ചൂട് ഉപയോഗിച്ച് ജോലി ചെയ്യുന്ന ഒരു ഉപകരണം 1700-ൽ കണ്ടെത്തി. അത് ഒരു ആവി എഞ്ചിൻ ആയിരുന്നു. കൽക്കരി ഖനിയിൽ നിന്ന് വെള്ളം പമ്പ് ചെയ്യുന്നതിനാണ് ആവി എഞ്ചിൻ ആദ്യമായി ഉപയോഗിച്ചത്.
നീരാവിക്ക് വസ്തുക്കളെ ചലിപ്പിക്കാൻ കഴിയുമെന്നതിനാലാണ് നീരാവി എഞ്ചിനുകളുടെ ഉപയോഗം. നീരാവി എഞ്ചിനുകളിൽ ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ ഉൾപ്പെടുന്നു (താപത്തെ മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജമാക്കി മാറ്റുന്നതിനുള്ള ഒരു ഉപകരണമാണ് ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ). ഇപ്പോൾ വൈദ്യുതോർജ്ജം ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ നീരാവി എഞ്ചിൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു. കാർ എഞ്ചിനുകൾ, മോട്ടോർ സൈക്കിൾ എഞ്ചിനുകൾ മുതലായ ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനുകളാണ് ആധുനിക ഹീറ്റ് എഞ്ചിനുകൾ.
ഉയർന്ന താപനിലയിൽ നിന്ന് താഴ്ന്ന താപനിലയിലേക്ക് താപം പ്രവഹിക്കാൻ അനുവദിച്ചാൽ താപനം മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജമാക്കി മാറ്റാൻ കഴിയുമെന്നതാണ് ഹീറ്റ് എഞ്ചിനുകളുടെ ഉപയോഗത്തിന് പിന്നിലെ അടിസ്ഥാന ആശയം. ഈ പ്രക്രിയയിൽ, കുറച്ച് താപം മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു (കുറച്ച് താപം ജോലി ചെയ്യാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു), കുറച്ച് താപം താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള സ്ഥലങ്ങളിൽ നിന്ന് പുറന്തള്ളപ്പെടുന്നു. ഹീറ്റ് എഞ്ചിനിലെ ഊർജ്ജത്തിന്റെയും ഊർജ്ജ കൈമാറ്റത്തിന്റെയും ആകൃതി മാറ്റുന്ന പ്രക്രിയ ഈ ഡയഗ്രം പോലെ കാണപ്പെടുന്നു.
ഉയർന്ന താപനില (TH) കുറഞ്ഞ താപനിലയും (TL) യന്ത്രത്തിന്റെ പ്രവർത്തന താപനില എന്ന് വിളിക്കുന്നു. QH ഉയർന്ന താപനിലയിൽ നിന്ന് പ്രവഹിക്കുന്ന താപമാണ്, അതേസമയം QL താഴ്ന്ന താപനിലയുള്ള സ്ഥലത്തേക്ക് താപം പ്രവഹിക്കുന്നു. ഉയർന്ന താപനിലയിൽ നിന്ന് താഴ്ന്ന താപനിലയിലേക്ക് പ്രവഹിക്കുമ്പോൾ, കുറച്ച് താപം മെക്കാനിക്കൽ ഊർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു (പ്രവർത്തിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു), കുറച്ച് താപം Q ആയി വിനിയോഗിക്കപ്പെടുന്നു.Lഎല്ലാ താപത്തെയും ജോലിയായി പരിവർത്തനം ചെയ്യാൻ കഴിയില്ല (W), എപ്പോഴും പുറത്തുവിടുന്ന താപം ഉണ്ടാകും (QL). അങ്ങനെ, ഊർജ്ജ സംരക്ഷണത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, QH = പ + ക്യുL.
ആവി എഞ്ചിനുകളും ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനുകളും ഉൾപ്പെടെ നിരവധി താപ എഞ്ചിനുകൾ ഉണ്ട്.
ആവി യന്ത്രം
സ്റ്റീം എഞ്ചിനുകൾ ജലബാഷ്പത്തെ താപ കൈമാറ്റ മാധ്യമമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. നീരാവി ഒരു പ്രവർത്തിക്കുന്ന ദ്രാവകമാണ്. രണ്ട് തരം സ്റ്റീം എഞ്ചിനുകൾ ഉണ്ട്: ഒന്നിടവിട്ട സ്റ്റീം എഞ്ചിനുകളും ടർബൈൻ സ്റ്റീം എഞ്ചിനുകളും. ഈ എഞ്ചിന്റെ രൂപകൽപ്പന വ്യത്യസ്തമാണ്, എന്നാൽ ഈ രണ്ട് തരം സ്റ്റീം എഞ്ചിനുകളും എണ്ണ, വാതകം, കൽക്കരി എന്നിവ കത്തിച്ചോ ആണവോർജ്ജം ഉപയോഗിച്ചോ ചൂടാക്കുന്ന നീരാവി ഉപയോഗിക്കുന്നു.
ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനുകൾ
മോട്ടോർ സൈക്കിൾ എഞ്ചിനുകളും കാർ എഞ്ചിനുകളും ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിനുകൾക്ക് ഉദാഹരണങ്ങളാണ്. അടച്ച സിലിണ്ടറുകൾക്കുള്ളിൽ ജ്വലന പ്രക്രിയ നടക്കുന്നതിനാലാണ് ഇതിനെ ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിൻ എന്ന് വിളിക്കുന്നത്. അഡിയബാറ്റിക് കംപ്രഷൻ, വികാസം എന്നിവയുടെ എഞ്ചിനീയറിംഗ് ആശയത്തിന്റെ ഫലമാണ് ഒരു ആന്തരിക ജ്വലന എഞ്ചിന്റെ സാന്നിധ്യം.
ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ കാര്യക്ഷമത
ഉയർന്ന താപനിലയിൽ (Q H ) ഹീറ്റ് ഇൻപുട്ട് ഉപയോഗിച്ച് യന്ത്രം നടത്തുന്ന ജോലി (W) തമ്മിലുള്ള താരതമ്യമാണ് ഹീറ്റ് എഞ്ചിന്റെ (e) കാര്യക്ഷമത.
W എന്നത് ലഭിച്ച ലാഭമാണ്, അതേസമയം Q H എന്നത് ഇന്ധനം വാങ്ങി കത്തിക്കുന്നതിനുള്ള ചെലവാണ്. പരമാവധി ലാഭം നേടാനും ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ ചെലവ് നേടാനും എപ്പോഴും ആഗ്രഹിക്കുന്ന മനുഷ്യരെന്ന നിലയിൽ, ലാഭ വർദ്ധനവ് (W) നമ്മൾ ചെലവഴിക്കുന്ന ചെലവിന് (Q H ) ആനുപാതികമായിരിക്കുമെന്ന് ഞങ്ങൾ പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു . അത് സംഭവിക്കുമോ?
ഊർജ്ജ സംരക്ഷണത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, താപം (Q H ) പ്രവൃത്തി (W) + ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്ത താപം (Q L ) എന്നിവയ്ക്ക് തുല്യമായിരിക്കണം.
സമവാക്യം 1-ൽ W-നെ സമവാക്യം 2-ൽ W-യുമായി മാറ്റിസ്ഥാപിക്കുക.
ഇതാണ് ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ കാര്യക്ഷമതയുടെ സമവാക്യം.
ചോദ്യം 1 :
ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ 3000 ജൂൾ (Q H ) താപം ആഗിരണം ചെയ്യുകയും, പ്രവർത്തിക്കുകയും (W ) 2500 ജൂൾ (Q L ) താപം നീക്കം ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു. എഞ്ചിൻ താപ കാര്യക്ഷമത കണക്കാക്കുക.
പരിഹാരം
ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ കാര്യക്ഷമത = 17%.
ചോദ്യം 2 :
ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ 3000 ജൂൾ താപം (Q H ) ആഗിരണം ചെയ്യുകയും (W ) പ്രവർത്തിക്കുകയും 2000 ജൂൾ താപം (Q L ) നീക്കം ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു. ഹീറ്റ് എഞ്ചിന്റെ കാര്യക്ഷമത കണക്കാക്കുക.
പരിഹാരം
ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ കാര്യക്ഷമത = 34%.
ചോദ്യം 3 :
ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ 3000 ജൂൾ താപം (Q H ) ആഗിരണം ചെയ്യുകയും (W ) പ്രവർത്തിക്കുകയും (Q L ) 1500 ജൂൾ താപം (Q L ) പുറന്തള്ളുകയും ചെയ്യുന്നു . ഒരു ഹീറ്റ് എഞ്ചിന്റെ കാര്യക്ഷമത കണക്കാക്കുക?
പരിഹാരം
ഹീറ്റ് എഞ്ചിൻ കാര്യക്ഷമത = 50%.
