थर्मोडायनामिक्सको दोस्रो नियम बारे लेख
प्राकृतिक रूपमा हुने सबै प्रक्रियाहरू एउटै दिशामा मात्र हुन्छन् तर विपरीत दिशामा हुन सक्दैनन्, जसलाई सामान्यतया अपरिवर्तनीय प्रक्रियाहरू भनिन्छ। आफ्नो डाँठबाट मुक्त भएर जमिनमा स्वतन्त्र रूपमा खसेपछि , आँप फेरि कहिल्यै माथि सर्दैन। हामीले धकेल्ने र रोकिने पुस्तक कहिल्यै हामीतिर फर्कँदैन। यदि हामीले उच्च-तापमानको वस्तु (तातो वस्तु) लाई कम-तापमानको वस्तु (चिसो वस्तु) ले छोयौं भने, ताप स्वाभाविक रूपमा उच्च-तापमानको वस्तुबाट कम-तापमानको वस्तुमा बग्छ। हामी कहिल्यै उल्टो प्रक्रिया देख्दैनौं, जहाँ ताप स्वाभाविक रूपमा चिसो वस्तुबाट तातो वस्तुमा सर्छ। यदि यो प्रक्रिया भयो भने, चिसो वस्तु चिसो हुनेछ, जबकि तातो वस्तु तातो हुनेछ। तर वास्तविकतामा, यो त्यस्तो होइन। त्यहाँ धेरै अपरिवर्तनीय प्रक्रियाहरू छन् जुन एकअर्काबाट फरक देखिन्छन्, तर तिनीहरू सबैमा ऊर्जाको रूपमा परिवर्तन र एक वस्तुबाट अर्को वस्तुमा ऊर्जा स्थानान्तरण समावेश छ।
उदाहरणका लागि, शक्तिशाली भूकम्प आउँछ जसले भवनहरू भत्काउँछ (भूकम्पका छालहरूले बोकेको ऊर्जाको कारण भवनहरू भत्किन्छन्)। के तपाईंले कहिल्यै भत्किएको भवनको प्रत्येक भाग फेरि एकसाथ आएको र पहिले जस्तै सीधा उभिएको देख्नुभएको छ? वा, उदाहरणका लागि, एउटा सिसा भुइँमा खसेर फुटेको... के तपाईंले कहिल्यै भुइँमा छरिएका सिसाका टुक्राहरू फेरि एकसाथ आएको र पहिले जस्तै पूर्ण गिलास बनेको देख्नुभएको छ? कहिल्यै भएको थिएन... अरू धेरै उदाहरणहरू छन्।
एउटै दिशामा हुने थर्मोडायनामिक प्रक्रियाहरू (अपरिवर्तनीय प्रक्रियाहरू) व्याख्या गर्न, वैज्ञानिकहरूले थर्मोडायनामिक्सको दोस्रो नियम बनाए। थर्मोडायनामिक्सको दोस्रो नियमले ब्रह्माण्डमा कुन प्रक्रियाहरू हुन सक्छन् र कुन प्रक्रियाहरू हुन सक्दैनन् भनेर व्याख्या गर्दछ। आर.जे.ई. क्लाउसियस (१८२२-१८८८) नामक एक वैज्ञानिकले निम्न कथन दिए:
ताप उच्च तापक्रम भएको वस्तुबाट कम तापक्रम भएको वस्तुमा आफै सर्छ; ताप कम तापक्रम भएको वस्तुबाट उच्च तापक्रम भएको वस्तुमा आफै सर्दैन (थर्मोडायनामिक्सको दोस्रो नियम - क्लाउसियस कथन)।
क्लाउसियस कथन तापक्रम विज्ञानको दोस्रो नियमको विशेष कथन हो। यसलाई विशेष कथन भनिन्छ किनभने यो केवल एउटा प्रक्रियामा लागू हुन्छ, अर्थात् ताप स्थानान्तरण। किनभने यो कथन अन्य प्रक्रियाहरूसँग सम्बन्धित छैन, हामीलाई अझ सामान्य कथन चाहिन्छ। तापक्रम विज्ञानको दोस्रो नियमको सामान्य कथनको विकास आंशिक रूपमा ताप इन्जिनहरूको अध्ययनमा आधारित थियो। त्यसैले, हामी पहिले ताप इन्जिनहरूको बारेमा छलफल गर्नेछौं।
ताप इन्जिन
हामीले प्रयोग गर्ने धेरैजसो ऊर्जा पेट्रोलियम, ग्यास र कोइलामा रहेको रासायनिक सम्भाव्य ऊर्जाबाट आउँछ। पेट्रोलियम, ग्यास वा कोइलामा रहेको रासायनिक सम्भाव्य ऊर्जा सिधै प्रयोग गर्न सकिँदैन। पेट्रोलियम, ग्यास वा कोइला पहिले जलाउनु पर्छ। सामान्यतया, जीवाश्म इन्धन (पेट्रोलियम, ग्यास र कोइला) जलाउँदा ताप उत्पादन हुन्छ। तापलाई खाना पकाउन र कोठा तताउन सिधै प्रयोग गर्न सकिन्छ। कुनै चीज सार्न (उदाहरणका लागि, सवारी साधन सार्न), हामीले तापलाई गतिज ऊर्जा वा यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण गर्नुपर्छ (यान्त्रिक ऊर्जा = सम्भाव्य ऊर्जा + गतिज ऊर्जा)। यान्त्रिक ऊर्जालाई तापमा रूपान्तरण गर्नु धेरै सजिलो काम हो, तर तापलाई यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण गर्नु गाह्रो छ। आफ्नो हत्केलाहरू एकसाथ रगड्ने प्रयास गर्नुहोस्... तपाईंको हत्केलाहरू तातो हुन्छन्, हैन? जब हामी हाम्रा हत्केलाहरू एकसाथ रगड्छौं (हामी काम गर्छौं), यान्त्रिक ऊर्जा तापमा परिणत हुन्छ। प्रक्रिया धेरै सजिलो छ... काम गरेर पनि अनन्त ताप उत्पादन गर्न सकिन्छ। तर उल्टो प्रक्रिया, अर्थात् काम गर्न ताप प्रयोग गर्नु, गाह्रो छ।
काम गर्न ताप प्रयोग गर्न प्रयोग गरिने उपकरण १७०० मा मात्र आविष्कार गरिएको थियो। प्रश्नमा रहेको उपकरण स्टीम इन्जिन थियो। कोइला खानीबाट पानी निकाल्न स्टीम इन्जिनहरू पहिलो पटक प्रयोग गरिएको थियो। यो कुरा ध्यान दिनु महत्त्वपूर्ण छ कि स्टीम इन्जिनहरूको पहिलो प्रयोग वैज्ञानिकहरूले ताप वास्तवमा तापक्रम भिन्नताका कारण स्थानान्तरण हुने ऊर्जा हो भनेर थाहा पाउनुभन्दा पहिले नै भएको थियो (थर्मोडायनामिक्सको पहिलो नियम अझै तयार गरिएको थिएन)।
त्यस समयमा स्टीम इन्जिनको प्रयोग सम्भवतः दैनिक अनुभवमा आधारित थियो जसले स्टीमले चीजहरू सार्न सक्छ भनेर देखाउँछ। स्टीम इन्जिनहरूलाई ताप इन्जिन मानिन्छ (ताप इन्जिन = तापलाई यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण गर्ने उपकरण)। आज, स्टीम इन्जिनहरू विद्युतीय ऊर्जा उत्पादन गर्न प्रयोग गरिन्छ। आधुनिक ताप इन्जिनहरू आन्तरिक दहन इन्जिनहरू हुन् (कार इन्जिन, मोटरसाइकल इन्जिन, आदि)।
ताप इन्जिन प्रयोग गर्नुको पछाडिको आधारभूत विचार भनेको उच्च-तापमान क्षेत्रबाट कम-तापमान क्षेत्रमा प्रवाहित भएमा मात्र तापलाई यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ भन्ने हो। यस प्रक्रियाको क्रममा, केही तापलाई यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण गरिन्छ (केही ताप काम गर्न प्रयोग गरिन्छ), जबकि केही तापलाई कम-तापमान क्षेत्रमा अस्वीकार गरिन्छ। ताप इन्जिनमा ऊर्जा रूपान्तरण र ऊर्जा स्थानान्तरणको प्रक्रिया रेखाचित्रमा देखाइएको छ।
उच्च तापक्रम (TH) र न्यून तापक्रम (TL) लाई इन्जिन सञ्चालन तापक्रम पनि भनिन्छ। उच्च तापक्रम भएको ठाउँबाट प्रवाह हुने तापलाई Q चिन्ह दिइएको छ।H, जबकि कम तापक्रम भएको ठाउँमा छोडिने तापलाई Q प्रतीक दिइएको छL. उच्च तापक्रम भएको ठाउँबाट कम तापक्रम भएको ठाउँमा बग्दा, केही QH यान्त्रिक ऊर्जामा परिणत हुन्छ (काम गर्न प्रयोग गरिन्छ), यसको केही भाग Q को रूपमा निस्कन्छL। वास्तवमा हामी साँच्चै आशा गर्छौं कि सबै QH W मा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ, तर दैनिक अनुभवले देखाउँछ कि यो असम्भव छ। सधैं केही ताप हराउँछ। यसरी, ऊर्जा संरक्षणको आधारमा, यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि QH = W + QL.
अब तापलाई यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण गर्न सामान्यतया प्रयोग गरिने ताप इन्जिनको समीक्षा गरौं। यो कुरा मनन गर्नु महत्त्वपूर्ण छ कि हामी निरन्तर काम गर्ने ताप इन्जिनहरूलाई मात्र विचार गर्दैछौं। काम निरन्तर गर्नको लागि, ताप उच्च-तापमान क्षेत्रबाट कम-तापमान क्षेत्रमा निरन्तर प्रवाहित हुनुपर्छ। यदि ताप एक पटक मात्र बग्छ भने, ताप इन्जिनले गर्ने काम पनि एक पटक मात्र हुनेछ (उत्पादित यान्त्रिक ऊर्जा धेरै सानो हुनेछ)। त्यसकारण, ताप इन्जिनलाई इष्टतम रूपमा प्रयोग गर्न सकिँदैन। यदि ताप इन्जिनले निरन्तर काम गर्छ भने यसलाई इष्टतम रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ। अर्को शब्दमा, ताप इन्जिनले उत्पादन गर्ने यान्त्रिक ऊर्जा कुनै चीज सार्न प्रयोग गर्न पर्याप्त हुन्छ।
वाष्प इन्जिन
स्टीम इन्जिनहरूले ताप स्थानान्तरण माध्यमको रूपमा पानीको वाष्प प्रयोग गर्छन्। स्टीमलाई स्टीम इन्जिनको काम गर्ने पदार्थ भनिन्छ। दुई प्रकारका स्टीम इन्जिनहरू छन्: पारस्परिक स्टीम इन्जिन र टर्बाइन स्टीम इन्जिन (स्टीम टर्बाइन)। तिनीहरूको डिजाइन थोरै फरक छ, तर दुवै प्रकारका समानताहरू छन्: तिनीहरूले तेल, ग्यास, कोइला, वा आणविक ऊर्जा जलाएर तताइएको स्टीम प्रयोग गर्छन्।
रेसिप्रोकेटिङ प्रकारको स्टीम इन्जिन
कन्टेनरमा रहेको पानी सामान्यतया उच्च चापमा तताइन्छ। किनकि यो उच्च चापमा तताइन्छ, उमाल्ने प्रक्रिया उच्च तापक्रममा हुन्छ। तापक्रम दबाबसँग प्रत्यक्ष समानुपातिक हुन्छ। बाफको तापक्रम जति उच्च हुन्छ, बाफको चाप त्यति नै बढी हुन्छ। यो उच्च-तापमान वा उच्च-दाबको वाफ इनलेट भल्भबाट सर्छ र पिस्टनको विरुद्धमा फैलिन्छ। यो विस्तार हुँदै जाँदा, बाफले पिस्टनलाई धकेल्छ, जसले गर्दा यो दायाँतिर सर्छ।
बाफमा भएको केही ताप गतिज ऊर्जामा परिणत हुन्छ। पिस्टन दायाँतिर सर्दा, पिस्टनसँग जोडिएको पाङ्ग्रा घुम्छ (१)। आधा घुमाइ पछि, पाङ्ग्राले पिस्टनलाई यसको मूल स्थितिमा फिर्ता धकेल्छ (२)। पिस्टन बायाँतिर सर्दा, इनलेट भल्भ स्वतः बन्द हुन्छ, जबकि निकास भल्भ स्वतः खुल्छ। बाफ कन्डेन्सरद्वारा कन्डेन्स्ड हुन्छ, शीतमा परिणत हुन्छ। त्यसपछि, कन्डेन्सरमा रहेको पानीलाई फेरि उमाल्नको लागि कन्टेनरमा फिर्ता पम्प गरिन्छ। र यस्तै... किनभने यो प्रक्रिया बारम्बार हुन्छ, पिस्टन लगातार दायाँ र बायाँतिर सर्छ। पिस्टन लगातार दायाँ र बायाँतिर सर्ने भएकोले, पाङ्ग्रा पनि निरन्तर घुम्छ। पाङ्ग्राको परिक्रमा सामान्यतया केहि सार्न प्रयोग गरिन्छ।
स्टीम टर्बाइन
स्टीम टर्बाइनको काम गर्ने सिद्धान्त मूलतः रेसिप्रोकेटिङ स्टीम इन्जिनको जस्तै हुन्छ। भिन्नता यो हो कि रेसिप्रोकेटिङ स्टीम इन्जिनले पिस्टन प्रयोग गर्छ, जबकि स्टीम टर्बाइनले टर्बाइन प्रयोग गर्छ। रेसिप्रोकेटिङ स्टीम इन्जिनमा, तापलाई पहिले पिस्टनको ट्रान्सलेशनल गतिज ऊर्जामा रूपान्तरण गरिन्छ। त्यसपछि, पिस्टनको ट्रान्सलेशनल गतिज ऊर्जा घुम्ने पाङ्ग्राको घुमाउरो गतिज ऊर्जामा रूपान्तरण हुन्छ। स्टीम टर्बाइनमा, तापलाई सिधै टर्बाइनको घुमाउरो गतिज ऊर्जामा रूपान्तरण गरिन्छ। दबाब भिन्नताको कारणले टर्बाइन घुम्न सक्छ। ब्लेड माथिको स्टीमको तापक्रम ब्लेड मुनिको स्टीमको तापक्रम भन्दा धेरै बढी हुन्छ। ब्लेड टर्बाइनको केन्द्रमा अवस्थित पातलो प्लेट हो। तापक्रम दबाबसँग प्रत्यक्ष समानुपातिक हुन्छ। ब्लेड माथिको स्टीमको तापक्रम ब्लेड मुनिको स्टीमको तापक्रम भन्दा बढी भएकोले, ब्लेड माथिको स्टीमको दबाब ब्लेड मुनिको दबाब भन्दा बढी हुन्छ। यो दबाब भिन्नताले स्टीमलाई तल धकेल्छ, जसले गर्दा टर्बाइन घुम्छ। टर्बाइन घुमाउने दिशा चित्रमा देखाइएको छ।
यो कुरा मनन गर्नु महत्त्वपूर्ण छ कि स्टीम इन्जिनको काम गर्ने सिद्धान्त माथि वर्णन गरिएको ऊर्जा स्थानान्तरण रेखाचित्रमा आधारित छ। यस अवस्थामा, उच्च तापक्रम भएको वस्तु वा स्थानबाट कम तापक्रम भएको वस्तु वा स्थानमा ताप प्रवाह गर्न दिएर यान्त्रिक ऊर्जा उत्पन्न गर्न सकिन्छ। त्यसकारण, स्टीम इन्जिनमा तापक्रम भिन्नता आवश्यक छ।
यदि तपाईंले पारस्परिक स्टीम इन्जिनले कसरी काम गर्छ भन्ने कुरामा ध्यान दिनुभयो भने, तपाईंले याद गर्नुहुनेछ कि तापक्रम भिन्नता नभए पनि पिस्टन अझै पनि बायाँ र दायाँ सार्न सक्छ (कन्डेन्सर वा पम्प छैन)। उच्च-तापमान वा उच्च-दबाव स्टीमको विस्तारको कारण पिस्टन दायाँ सार्न सक्छ। यस अवस्थामा, स्टीममा रहेको केही ताप पिस्टनको ट्रान्सलेसनल गतिज ऊर्जामा रूपान्तरण हुन्छ। पिस्टनको यो ट्रान्सलेसनल गतिज ऊर्जा त्यसपछि घुम्ने पाङ्ग्राको घुम्ने गतिज ऊर्जामा रूपान्तरण हुन्छ। आधा परिक्रमा पूरा गरेपछि, पाङ्ग्राले पिस्टनलाई बायाँतिर धकेल्छ। जब पाङ्ग्राले पिस्टनलाई बायाँतिर धकेल्छ, पाङ्ग्राको घुम्ने गतिज ऊर्जा फेरि पिस्टनको ट्रान्सलेसनल गतिज ऊर्जामा रूपान्तरण हुन्छ। पिस्टन बायाँतिर सर्दा, यसले सिलिन्डरमा रहेको स्टीमलाई बाहिर धकेल्छ। एकै समयमा, निकास भल्भ खुल्छ।
यसरी, पिस्टनले धकेल्ने स्टीमले आफ्नो साथीलाई निकास भल्भमुनि धकेल्नेछ। अब, यदि निकास भल्भ मुनिको स्टीमको तापक्रम पिस्टनले धकेल्ने स्टीमको तापक्रम बराबर हुन्छ भने, पिस्टनको सबै ट्रान्सलेशनल गतिज ऊर्जा स्टीमको आन्तरिक ऊर्जामा फिर्ता रूपान्तरण हुनेछ। आन्तरिक ऊर्जा तापक्रमसँग प्रत्यक्ष समानुपातिक हुन्छ। यदि स्टीमको आन्तरिक ऊर्जा बढ्छ भने, स्टीमको तापक्रम बढ्छ। तापक्रम दबाबसँग प्रत्यक्ष समानुपातिक हुन्छ। यदि स्टीमको तापक्रम बढ्छ भने, स्टीमको दबाब पनि बढ्छ। यसरी, निकास भल्भ मार्फत निस्कने स्टीमको दबाब इनलेट भल्भबाट प्रवेश गर्ने स्टीमको दबाबसँग बराबर हुन्छ। पिस्टन निरन्तर दायाँ र बायाँ सर्नेछ तर प्रयोग गर्न सकिने कुल गतिज ऊर्जा हुनेछैन (कुनै कुल काम उत्पादन हुनेछैन)। त्यसैले विस्तार प्रक्रियाको क्रममा पिस्टनले प्राप्त गरेको गतिज ऊर्जा (पिस्टन दायाँ सर्छ) कम्प्रेसन प्रक्रियाको क्रममा स्टीममा फर्काइनेछ (पिस्टन बायाँ सर्छ)।
यो निष्कर्ष निकालिएको छ कि स्टीम इन्जिनमा तापक्रम भिन्नता अझै पनि आवश्यक छ। स्टीम इन्जिनमा यो तापक्रम भिन्नता कन्डेन्सर प्रयोग गरेर प्राप्त गर्न सकिन्छ। जब निकास भल्भ मुनिको स्टीमको तापक्रम र दबाब सिलिन्डरमा रहेको स्टीमको तापक्रम र दबाब भन्दा धेरै कम हुन्छ, तब पिस्टन बायाँतिर फर्कँदा, पिस्टनले स्टीममा लगाउने दबाबको मात्रा पिस्टन दायाँतिर सर्दा स्टीमले पिस्टनमा लगाउने दबाबको मात्रा भन्दा धेरै कम हुन्छ। अर्को शब्दमा, पिस्टनले स्टीममा गर्ने कामको मात्रा पिस्टनमा गर्ने कामको मात्रा भन्दा धेरै कम हुन्छ। त्यसैले पिस्टनको गतिज ऊर्जाको सानो भाग मात्र स्टीममा फर्किन्छ। यसरी, कुल गतिज ऊर्जा वा कुल काम उत्पादन हुनेछ। यो कुल गतिज ऊर्जा केहि सार्न प्रयोग गरिन्छ।
आन्तरिक दहन इन्जिन
मोटरसाइकल र कार इन्जिनहरू आन्तरिक दहन इन्जिनका उदाहरण हुन्। दहन प्रक्रिया बन्द सिलिन्डर भित्र हुने भएकाले तिनीहरूलाई आन्तरिक दहन इन्जिन भनिन्छ। आन्तरिक दहन इन्जिनहरू थर्मोडायनामिक्सको पहिलो नियममा व्याख्या गरिएको एडियाबेटिक कम्प्रेसन र विस्तारको अवधारणाको इन्जिनियरिङको परिणाम हुन् ।
हामी केवल आन्तरिक दहन इन्जिनहरूलाई मात्र विचार गर्नेछौं जसले इन्धनको रूपमा पेट्रोल र डिजेल प्रयोग गर्दछ। पेट्रोल र डिजेल पेट्रोलियम उत्पादनहरू हुन्, र त्यसैले रासायनिक सम्भाव्य ऊर्जा हुन्छ। पेट्रोल र डिजेलमा रहेको रासायनिक सम्भाव्य ऊर्जा पहिले दहन प्रक्रिया मार्फत तापमा रूपान्तरण हुन्छ। दहन मार्फत उत्पादन हुने तापलाई त्यसपछि यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण गरिन्छ। यो यान्त्रिक ऊर्जाले मोटरसाइकल वा कारलाई चल्न अनुमति दिन्छ। पेट्रोल इन्जिनमा रहेको चक्रलाई ओटो चक्र भनिन्छ, जबकि डिजेल इन्जिनमा रहेको चक्रलाई डिजेल चक्र भनिन्छ। चक्र भनेको उल्ट्याउन मिल्ने थर्मोडायनामिक प्रक्रिया हो। पहिले ओटो चक्रको बारेमा छलफल गरौं।
ओटो चक्र
यो चार-स्ट्रोक आन्तरिक दहन इन्जिनको रेखाचित्र हो। पिस्टन तल सर्दा हावा र पेट्रोल वाष्पको मिश्रण कार्बोरेटरबाट सिलिन्डरमा बग्छ (इनटेक स्ट्रोक)। सिलिन्डरमा हावा र पेट्रोल वाष्पको मिश्रण त्यसपछि पिस्टन माथि सर्दा एडियाब्याटिकली कम्प्रेस हुन्छ (कम्प्रेसन स्ट्रोक)। किनभने यो एडियाब्याटिकली कम्प्रेस गरिएको छ, मिश्रणको तापक्रम र दबाब बढ्छ। एकै साथ, स्पार्क प्लगले मिश्रणलाई प्रज्वलित गर्छ, यसलाई प्रज्वलित गर्छ। यो जल्दै जाँदा, ग्यासको तापक्रम र दबाब बढ्छ। उच्च-तापमान, उच्च-दबाव ग्यास पिस्टनको विरुद्धमा फैलिन्छ, यसलाई तल धकेल्छ (विस्तार स्ट्रोक)। त्यसपछि जलेको ग्यास निकास भल्भ मार्फत छोडिन्छ र निकास पाइप (निकास स्ट्रोक) तिर निर्देशित हुन्छ। इन्टेक भल्भ फेरि खुल्छ, र चार स्ट्रोकहरू दोहोरिन्छन्।
यो कुरा ध्यान दिनु महत्त्वपूर्ण छ कि एडियाबेटिक कम्प्रेसन स्ट्रोकको उद्देश्य हावा-पेट्रोल वाष्प मिश्रणको तापक्रम र दबाब बढाउनु हो। उच्च चापमा दहनले धेरै उच्च तापक्रम र दबाब उत्पादन गर्छ। फलस्वरूप, विस्तार प्रक्रियाको क्रममा उत्पन्न हुने थ्रस्ट (F = PA) धेरै ठूलो हुन्छ। यसले मोटरसाइकल वा कार इन्जिनलाई अझ शक्तिशाली बनाउँछ। कम्प्रेसन बिना पनि, स्पार्क प्लगले स्पार्क उत्पादन गर्दा हावा-पेट्रोल वाष्प मिश्रण प्रज्वलित हुन सक्छ। यद्यपि, दहन गरिएको ग्यासको तापक्रम र दबाब धेरै उच्च हुँदैन, त्यसैले परिणामस्वरूप थ्रस्ट पनि सानो हुन्छ। फलस्वरूप, इन्जिन कम शक्तिशाली हुन्छ।
चार-स्ट्रोक आन्तरिक दहन इन्जिनमा ऊर्जा रूपान्तरण र ऊर्जा स्थानान्तरणको प्रक्रियालाई निम्नानुसार व्याख्या गर्न सकिन्छ: दहनको समयमा, पेट्रोलमा रहेको रासायनिक सम्भाव्य ऊर्जा र हावामा रहेको ऊर्जा तापमा परिणत हुन्छ। केही ताप पिस्टन रड र क्र्याङ्कशाफ्टमा यान्त्रिक ऊर्जामा परिणत हुन्छ, जबकि केही निकास पाइप मार्फत निस्कन्छ। पिस्टन रड र क्र्याङ्कशाफ्टमा रहेको अधिकांश यान्त्रिक ऊर्जा सवारी साधनमा (गाडी चलाउँदा) यान्त्रिक ऊर्जामा परिणत हुन्छ, जबकि सानो भाग तापमा परिणत हुन्छ। घर्षणबाट ताप उत्पन्न हुन्छ।
ओटो चक्रमा एडियाबेटिक विस्तार र कम्प्रेसन प्रक्रियालाई तलको रेखाचित्रद्वारा चित्रण गर्न सकिन्छ। यो रेखाचित्रले पेट्रोल-संचालित आन्तरिक दहन इन्जिनमा हुने थर्मोडायनामिक प्रक्रियाहरूको आदर्श मोडेल देखाउँछ।
हावा र पेट्रोलको बाष्पको मिश्रण सिलिन्डर (a) मा प्रवेश गर्छ। त्यसपछि हावा र पेट्रोलको बाष्पको मिश्रणलाई एडियाब्याटिकली (a-b) संकुचित गरिन्छ। ध्यान दिनुहोस् कि सिलिन्डरको मात्रा घट्छ। हावा र पेट्रोलको बाष्पको मिश्रण स्थिर मात्रामा तताइन्छ - मिश्रण जल्छ (b-c)। जलेको ग्यास एडियाब्याटिक विस्तार (c-d) बाट गुज्रन्छ। स्थिर मात्रामा चिसो पार्दा - जलेको ग्यास निकास पाइपमा डिस्चार्ज हुन्छ र हावा + पेट्रोलको बाष्पको नयाँ मिश्रण सिलिन्डर (d-a) मा प्रवेश गर्छ।
हावा र पेट्रोलको बाष्पको मिश्रण सिलिन्डर (a) मा प्रवेश गर्छ। त्यसपछि हावा र पेट्रोलको बाष्पको मिश्रणलाई एडियाब्याटिकली (a-b) संकुचित गरिन्छ। ध्यान दिनुहोस् कि सिलिन्डरको मात्रा घट्छ। हावा र पेट्रोलको बाष्पको मिश्रण स्थिर मात्रामा तताइन्छ - मिश्रण जल्छ (b-c)। जलेको ग्यास एडियाब्याटिक विस्तार (c-d) बाट गुज्रन्छ। स्थिर मात्रामा चिसो पार्दा - जलेको ग्यास निकास पाइपमा डिस्चार्ज हुन्छ र हावा + पेट्रोलको बाष्पको नयाँ मिश्रण सिलिन्डर (d-a) मा प्रवेश गर्छ।
डिजेल साइकल
डिजेल इन्जिनको काम गर्ने सिद्धान्त पेट्रोल इन्जिन जस्तै हुन्छ। भिन्नता प्रारम्भिक एडियाबेटिक कम्प्रेसन चरणमा निहित छ (एडियाबेटिक कम्प्रेसन = कम्प्रेसन जुन यति छिटो गरिन्छ कि ताप प्रणाली भित्र वा बाहिर प्रवाह गर्न समय हुँदैन। यस अवस्थामा प्रणाली सिलिन्डर हो)। पेट्रोल इन्जिनमा, कम्प्रेस गरिएको कुरा हावा र पेट्रोल वाष्पको मिश्रण हो, डिजेल इन्जिनमा केवल हावा मात्र कम्प्रेस हुन्छ। एडियाबेटिक कम्प्रेसनले हावाको तापक्रम र दबाब बढाउँछ। अर्को, इन्जेक्टर, उर्फ इन्जेक्टर, डिजेल स्प्रे गर्दछ। हावाको तापक्रम र दबाब पहिले नै धेरै उच्च भएकोले, सिलिन्डरमा डिजेल स्प्रे गर्दा, डिजेल तुरुन्तै प्रज्वलित हुन्छ। स्पार्क प्लगको आवश्यकता पर्दैन। तलको रेखाचित्रमा देखाइएको दबाब मानलाई ध्यान दिनुहोस्। ओटो चक्र रेखाचित्रमा देखाइएको दबाब मानसँग तुलना गर्नुहोस् ।
यो रेखाचित्रले आदर्श डिजेल चक्र देखाउँछ। सुरुमा, हावालाई एडियाब्याटिक रूपमा संकुचित गरिन्छ (a-b), त्यसपछि स्थिर दबाबमा तताइन्छ - इन्जेक्टरले डिजेल स्प्रे गर्छ र दहन हुन्छ (b-c), जलेको ग्यास एडियाब्याटिक विस्तार (c-d) बाट गुज्रिन्छ, स्थिर मात्रामा चिसो हुन्छ - जलेको ग्यास निकास पाइप मार्फत बाहिर निकालिन्छ र ताजा हावा सिलिन्डरमा प्रवेश गर्छ (d-a)।
माथिको व्याख्याको आधारमा, यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि प्रत्येक ताप इन्जिनमा मूलतः एक विशिष्ट काम गर्ने पदार्थ हुन्छ। वाष्प इन्जिनको लागि काम गर्ने पदार्थ पानी हो, पेट्रोल इन्जिनको लागि काम गर्ने पदार्थ हावा र पेट्रोल वाष्प हो, डिजेल इन्जिनको लागि काम गर्ने पदार्थ हावा र डिजेल हो। काम गर्ने पदार्थले सामान्यतया उच्च तापक्रम (Q H ) मा ताप अवशोषित गर्दछ, काम गर्छ (W), त्यसपछि कम तापक्रम (Q L ) मा बाँकी ताप छोड्छ । किनभने ऊर्जा संरक्षित हुन्छ, त्यसपछि Q H = W + Q L हुन्छ।
ताप इन्जिनको दक्षता
ताप इन्जिनको दक्षता (e) भनेको इन्जिनले गर्ने काम (W) र उच्च तापक्रममा ताप इनपुट (Q H ) बीचको अनुपात हो। गणितीय रूपमा, यसलाई यसरी लेख्न सकिन्छ:
W भनेको हामीले प्राप्त गर्ने नाफा हो, जबकि QH भनेको इन्धन खरिद गर्न र बाल्न लाग्ने लागत हो। सधैं सबैभन्दा ठूलो सम्भावित नाफा र सबैभन्दा सानो सम्भावित खर्च प्राप्त गर्न चाहने मानिसहरूको रूपमा, हामी साँच्चै आशा गर्छौं कि हामीले प्राप्त गर्ने नाफा (W) हामीले गर्ने लागत (QH) सँग मेल खान्छ। के यो सम्भव छ?
ऊर्जा संरक्षणको आधारमा, इनपुट ताप (Q H ) गरिएको काम (W) + जारी गरिएको ताप (Q L ) बराबर हुनुपर्छ। गणितीय रूपमा:
ताप इन्जिनको दक्षतालाई प्रतिशतको रूपमा व्यक्त गर्न, दक्षता समीकरणलाई १००% ले गुणन गर्नुहोस्। माथिको दक्षता समीकरणको आधारमा, ताप इन्जिनले जति धेरै ताप अस्वीकार गर्छ (Q L ), त्यति नै कम दक्ष हुन्छ। हामी सकेसम्म कम ताप अस्वीकार (Q L ) चाहन्छौं । यद्यपि, ताप इनपुट (Q H ) सामान्यतया तेल, कोइला, ग्यास, आदि (हामीले तिर्ने इन्धन) जलाएर प्राप्त गरिन्छ।
त्यसकारण, प्रत्येक ताप इन्जिनलाई अनिवार्य रूपमा सकेसम्म कुशल बनाउन डिजाइन गरिएको हुन्छ। यद्यपि हामी कम से कम खर्चबाट अधिकतम सम्भावित लाभ चाहन्छौं, वास्तविकता यो हो कि स्टीम इन्जिनहरू सामान्यतया लगभग ४०% कुशल हुन्छन्, जबकि आन्तरिक दहन इन्जिनहरू लगभग ५०% हुन्छन्। यसको अर्थ इन्धन जलाएर उत्पादन हुने आधा ताप खेर जान्छ। आधा मात्र यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण हुन्छ।
उदाहरण प्रश्न २:
एउटा ताप इन्जिनले ३००० जुल ताप (Q H ) सोस्छ, काम गर्छ (W) र २५०० जुल ताप (Q L ) छोड्छ। ताप इन्जिनको दक्षता कति हुन्छ?
छलफल
उदाहरण प्रश्न २:
एउटा ताप इन्जिनले ३००० जुल ताप (Q H ) सोस्छ, काम गर्छ (W) र १५०० जुल ताप (Q L ) छोड्छ। ताप इन्जिनको दक्षता कति हुन्छ?
छलफल
उदाहरण प्रश्न २:
एउटा ताप इन्जिनले ३००० जुल ताप (Q H ) सोस्छ, काम गर्छ (W) र १५०० जुल ताप (Q L ) छोड्छ। ताप इन्जिनको दक्षता कति हुन्छ?
छलफल
