Nkhani yokhudza Kuzungulira kwa Injini ya Carnot
Untuk mengetahui bagaimana menaikkan efisiensi mesin kalor, seorang ilmuwan Perancis bernama Sadi Carnot (1796‐1832) meneliti suatu mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Pada waktu itu hukum pertama termodinamika belum dirumuskan, demikian juga hukum kedua termodinamika. Hukum pertama belum dirumuskan karena para ilmuwan belum mengetahui bahwa kalor merupakan energi. Setelah Joule dan teman‐temannya melakukan percobaan pada tahun 1830-an, para ilmuwan baru mengetahui secara pasti bahwa kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Jadi hukum pertama termodinamika dirumuskan setelah tahun 1830. Sadi Carnot sudah meneliti mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Penelitian yang beliau lakukan sebenarnya untuk menaikkan efisiensi mesin uap yang pada waktu itu sudah digunakan. Kebanyakan mesin uap waktu itu kurang efisien.
Kuzungulira kwa injini yotenthetsera yoyenera, yopangidwa ndi Sadi Carnot, kumatchedwa kuzungulira kwa Carnot. Tisanayang'anenso kuzungulira kwa Carnot, ndikofunikira kumvetsetsa njira zosasinthika. Njira iliyonse yosinthira mphamvu mwachilengedwe nthawi zambiri imakhala yosasinthika. Mwachitsanzo, ngati tigwirana manja athu pamodzi, amamva kutentha. Pankhaniyi, kutentha kumapangidwa kudzera mu ntchito yomwe timachita. Njirayi siingasinthe. Kutentha komwe kumapangidwa sikungathe kugwira ntchito yokha pogwirana manja athu pamodzi. Cholinga cha injini yotenthetsera ndikusinthira pang'ono njira iyi, komwe kutentha kungagwiritsidwe ntchito kugwira ntchito moyenera kwambiri. Kuti injini yotenthetsera ikwaniritse bwino kwambiri, tiyenera kupewa njira zonse zosasinthika. Kusuntha kutentha mwachilengedwe nthawi zambiri sikungasinthe, chifukwa chake kuyesetsa kumapangidwa kuti kupewe kusamutsa kutentha.
Injini ikatentha QH m'malo omwe kutentha kumakhala kwakukulu (TH), chinthu chogwira ntchito mu makina chiyeneranso kukhala kutentha kwa THMofananamo, ngati injini yachotsa kutentha QL m'malo omwe kutentha kwake kuli kotsika (TL), chinthu chogwira ntchito mu makina chiyeneranso kukhala kutentha kwa TLKotero njira iliyonse yokhudza kusamutsa kutentha iyenera kukhala yofanana ndi kutentha (kutentha komweko). Mosiyana ndi zimenezi, ngati kutentha kwa chinthu chogwira ntchito mu injini kuli pakati pa TH ndi TL, sipayenera kukhala kusamutsa kutentha pakati pa makina ndi malo omwe ali ndi kutentha kwa TH (wopereka kutentha) ndi malo omwe ali ndi kutentha TL (kutaya). Kuti kutentha kusatuluke, njirayi iyenera kuchitika motsatira malangizo a adiabatic.
Kuzungulira kwa Carnot kwenikweni kumakhala ndi njira ziwiri zosinthika za isothermal ndi njira ziwiri zosinthika za adiabatic.
Chithunzi chomwe chili kumanja chikuwonetsa kayendedwe ka Carnot kuti pakhale mpweya wabwino. Poyamba, kutentha kumayamwa panthawi ya kukula kwa isothermal (a-b). Panthawi ya kukula kwa isothermal, kutentha kwa mpweya mu silinda kumakhala kosasintha.
Kenako, mpweya umakula pang'onopang'ono kotero kuti kutentha kwake kumatsika kuchokera ku T H kupita ku T L (b-c). T H = kutentha kwakukulu (Kutentha kwakukulu), T L = kutentha kochepa (Kutentha kochepa). Pakukula kwa adiabatic, palibe kutentha komwe kumalowa kapena kutuluka mu silinda. Pambuyo pake, mpweya umakanikizidwa isothermally (c-d). Pakukanikiza kwa isothermal, kutentha kwa mpweya kumakhala kosasintha. Kenako, mpweya umakanikizidwa adiabatically (d-a). Chifukwa umakanikizidwa adiabatically, kutentha kwa mpweya kumawonjezeka. Kutentha kwa mpweya kumawonjezeka kotero kuti kuthamanga kwa mpweya kumawonjezekanso. Njira zonse mu Carnot cycle zimatha kusinthika.
Pa nthawi ya kukula kwa kutentha kwa mpweya ndi kupsinjika kwa mpweya, kutentha kwa mpweya kumakhala kofanana. Cholinga chake ndi kupewa kusiyana kwa kutentha. Kusiyana kwa kutentha kungayambitse kusamutsa kutentha (njira yosasinthika). Kuti njira ya kutentha kwa mpweya ichitike (kusunga kutentha kwa mpweya kukhala kofanana), mpweya uyenera kukulitsidwa kapena kukakamizidwa pang'onopang'ono. M'malo mwake, kukula kwa mpweya kapena kupsinjika kumachitika mofulumira kwambiri. Izi zimachitika chifukwa cha kugwedezeka (kumbukirani mutu wa mphamvu ya madzi), kukangana, kukhuthala, ndi zina zotero. Zotsatira zake, njira yangwiro ya kutentha kwa mpweya sidzakhalapo. M'malo mwake, kukula ndi kupsinjika kwa adiabatic kumachitika mwachangu.
Cholinga chake ndikuletsa kutentha kulowa kapena kutuluka mu silinda. Kukangana, kukhuthala, ndi zinthu zina zimaletsa kukula ndi kupsinjika kwa adiabatic. Ndikofunika kudziwa kuti injini ya Carnot ndi yongopeka chabe; siilipo m'miyoyo yathu ya tsiku ndi tsiku. Ngakhale kuti ndi yongopeka, injini ya Carnot imathandizira kwambiri pakukula kwa thermodynamics. Osachepera, titha kuzindikira njira zilizonse zosasinthika zomwe zingachitike panthawiyi ndikuyesera kuzichepetsa, motero tikukulitsa magwiridwe antchito a injini yathu yotenthetsera yomwe idapangidwa.
Chotsatira chofunikira kwambiri cha injini ya Carnot ndichakuti kuti injini yotenthetsera ikhale yabwino kwambiri, kutentha komwe kumalandiridwa (Q H ) kumagwirizana ndi kutentha kwa T H ndipo kutentha komwe kumakanidwa (Q L ) kumagwirizana ndi kutentha kwa T L. Chifukwa chake, kugwira ntchito bwino kwa injini yotenthetsera yabwino ndi:
Chitsanzo cha funso 1:
Injini ya nthunzi imagwira ntchito pakati pa 500 o C ndi 300 o C. Dziwani momwe injini ya nthunzi imagwirira ntchito bwino (Carnot efficiency) imagwirira ntchito bwino.
Zokambirana
Kutentha kuyenera kusinthidwa kukhala Kelvin scale.
T H (kutentha kwambiri) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (kutentha kotsika) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Kugwira bwino ntchito kwa injini yotenthetsera bwino yomwe imagwira ntchito pakati pa 500 o C ndi 300 o C ndi 26%. Ngati injini yomwe timagwiritsa ntchito tsiku ndi tsiku imagwira ntchito pakati pa 500 o C ndi 300 o C, kugwira bwino ntchito kwa injini nthawi zambiri kumakhala pafupifupi nthawi 0,7 kuposa kugwira bwino ntchito kwa injini (18,2%).
Chitsanzo cha funso 2:
Injini yotenthetsera imalandira ma Joules 600 a kutentha (Q) pa kutentha kwa 300 o C, imagwira ntchito ma Joules 100 (W) ndipo imakana 500 J pa kutentha kwa 100 o C. Dziwani momwe injiniyi imagwirira ntchito komanso momwe imagwirira ntchito bwino (Carnot efficiency)...
Zokambirana
Kutentha kuyenera kusinthidwa kukhala Kelvin scale.
T H (kutentha kwambiri) = 300 o C ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
T L (kutentha kotsika) = 100 o C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
Kugwiritsa ntchito bwino kwa injini:
Kuchita bwino kapena kugwira bwino ntchito kwa injini yabwino yotenthetsera yomwe imagwira ntchito pakati pa 300 o C ndi 100 o C ndi 35%. Kuchita bwino kwambiri komwe injini ingapeze nthawi zambiri kumakhala pafupifupi nthawi 0,7 kuposa kuchita bwino komwe = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J ya kutentha komwe kungagwiritsidwe ntchito kugwira ntchito).
Mphamvu yeniyeni ya injini iyi ndi 17% (100 J yokha ya kutentha imagwiritsidwa ntchito pogwira ntchito). Pakadali pano pali pafupifupi 147 J - 100 J = 47 J ya kutentha komwe kungagwiritsidwe ntchito pogwira ntchito. Zingakhale bwino ngati mphamvu ya injini iyi ingawonjezedwe kuti tichepetse kutayika komwe timapeza.
Chitsanzo cha funso 3:
Makina amalandira kutentha kwa ma Joules 1000 ndipo amapanga ma Joules 400 ogwirira ntchito munthawi iliyonse. Makinawa amagwira ntchito pakati pa 500 o C ndi 200 o C. Kodi mphamvu yeniyeni komanso magwiridwe antchito a makinawa ndi otani?
Zokambirana
T H (kutentha kwambiri) = 500 o C ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
T L (kutentha kotsika) = 200 o C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
Kugwiritsa ntchito bwino kwa injini:
Mphamvu yabwino kwambiri ya makina awa ndi:
Kugwiritsa ntchito bwino kwa injini, komwe kumadziwikanso kuti Carnot efficiency, ndi 40%. Kugwiritsa ntchito bwino kwa injini yeniyeni ndi 60%. Kulibe injini yotereyi. N'zosatheka kuti kugwira ntchito bwino kwa injini kupose kugwira ntchito bwino kwa Carnot.
Chitsanzo cha funso 4:
Kuti injini ya Carnot igwire bwino ntchito ifike pa 100% (1), kodi kutentha kwa utsi (TL ) kumafunika ndi kotani?
Zokambirana
Kuti injini yotenthetsera yangwiro igwire bwino ntchito ifike pa 100% (kutentha konse kolowera kungagwiritsidwe ntchito), kutentha kwa utsi (TL ) kuyenera kukhala = 0 Kelvin.
Kufika kutentha kwa 0 Kelvin n'kosatheka. Mawu awa ndi lamulo lachitatu la thermodynamics.
Popeza injini yotenthetsera yangwiro singathe kukwanitsa 0 Kelvin, injini yotenthetsera yangwiro singathe kukhala ndi mphamvu zonse 100%. Ngakhale injini yotenthetsera yangwiro singathe kukhala ndi mphamvu zonse 100%, osatchulanso injini zotenthetsera zomwe timagwiritsa ntchito tsiku ndi tsiku.
Popeza injini yotenthetsera singathe kugwira ntchito bwino 100%, tinganene kuti sizingatheke kuti kutentha konse kolowera (Q H ) kugwiritsidwe ntchito. Payenera kuti pali kutentha komwe kwatayika (Q L ).
N'zosatheka kuti injini yotenthetsera (yogwira ntchito mozungulira) isinthe kutentha konse kukhala ntchito (Lamulo lachiwiri la thermodynamics - Kelvin-Planck statement).
Mawu olembedwa mopendekeka pamwambawa ndi mawu apadera a lamulo lachiwiri la thermodynamics. Amatchedwa mawu apadera chifukwa amagwira ntchito pa injini zotenthetsera zokha. Chifukwa Kelvin ndi Planck adapanga, amatchedwanso mawu a Kelvin-Planck. Onani kukhalapo kwa mawu akuti "cycle" mu mawu omwe ali pamwambapa. Kuzungulira ndi njira yomwe imachitika mobwerezabwereza. Chifukwa chake, injini yotenthetsera imagwira ntchito mosalekeza. Mawu akuti "cycle" amawonjezeredwa chifukwa, kwenikweni, kutentha konse kungasinthidwe kukhala ntchito ngati njirayi ichitika kamodzi kokha.
Mu lamulo loyamba la thermodynamics, njira zingapo za thermodynamic zinafotokozedwa, kuphatikizapo njira za isothermal, isobaric, isochoric, ndi adiabatic. Mu njira ya isothermal, kutentha konse kumatha kusinthidwa kukhala ntchito (Q = W). Izi zitha kuchitika ngati njirayi ichitika mu gawo limodzi lokha. Onani chithunzi pansipa:
Chithunzichi chikuwonetsa njira ya isothermal (kukulitsa kwa isothermal) yomwe imachitika mu sitepe imodzi. Mu njira iyi, kutentha konse (Q) kumasanduka ntchito (W). Kuchuluka kwa ntchito yochitidwa = malo okhala ndi mthunzi.
Kuti injini yotenthetsera ikhale yothandiza, iyenera kugwira ntchito mosalekeza (njirayi iyenera kuchitika mobwerezabwereza, osati mu gawo limodzi lokha). Mwachitsanzo, injini ya nthunzi yobwerezabwereza. Pisitoni mu injini ya nthunzi yobwerezabwereza iyenera kusuntha mosalekeza kumanja ndi kumanzere kuti gudumu lizitha kuzungulira (lingagwiritsidwe ntchito kusuntha china chake). Gudumu silingazungulire ngati pisitoni imangosuntha kumanja, pambuyo pake imayima (njirayi imachitika mu gawo limodzi lokha). Ngati njirayi ichitika mobwerezabwereza (pisitoni imayenda mosalekeza kumanja ndi kumanzere), sizingatheke kuti kutentha konse kusinthidwe kukhala ntchito (mawu a Kelvin-Planck). Mwachitsanzo, tiyeni tiganizire za njira ya isothermal yomwe yawonetsedwa pa graph pamwambapa.
Chithunzi kumanzere chikuwonetsa kufalikira kwa isothermal (muvi wopita pansi) ndi kupsinjika kwa isothermal (muvi wopita mmwamba). Njirayi imachitika mosalekeza isothermal (palibe ntchito yomwe imachitika). Chithunzi kumanja chikuwonetsa kufalikira kwa isothermal (muvi wopita pansi), kupsinjika kwa isobaric (muvi wopita kumanzere), ndi njira ya isochoric (muvi wopita mmwamba). Kuchokera pama graph awiriwa, n'zoonekeratu kuti pazochitika zomwe zimachitika mosalekeza (kuzungulira), nthawi zonse pamakhala kutayika kwa kutentha. Izi zikugwirizana ndi mawu a Kelvin-Planck am'mbuyomu.
