د انجینرۍ ترموډینامیک پروسو کې د انټروپي تحلیل

د انجینرۍ ترموډینامیک پروسو کې د انټروپي تحلیل

په انجینرۍ کې، ترموډینامیک د دې پوهیدو لپاره یو مهم بنسټ دی چې انرژي څنګه په سیسټمونو کې حرکت کوي او بدلیږي - د داخلي احتراق انجنونو او بخار توربینونو څخه تر کمپرسورونو او یخچال سیسټمونو پورې. په هرصورت، د انرژۍ او موثریت محاسبې هاخوا یو کلیدي مفهوم پروت دی چې ډیری وختونه د پروسې د فعالیت محدودیتونه تعریفوي: انټروپي. انټروپي نه یوازې د کیفیتي "بې نظمۍ" په اړه دی، بلکه په تخنیکي توګه، دا یو مقدار دی چې انجینرانو سره د پروسې د ناڅاپي لوري ارزولو، د نه بدلیدونکي والي اندازه کولو او په ریښتیني سیسټمونو کې د ورک شوي کار محاسبه کولو کې مرسته کوي. دا مقاله د انجینرۍ ترموډینامیک پروسو کې د انټروپي تحلیل په اړه بحث کوي، د هغې تعریف څخه تر صنعتي تجهیزاتو پورې د هغې پلي کولو پورې.

۱. د انټروپي او د هغې فزیکي معنی پوهیدل

په کلاسیک ترموډینامیک کې، انټروپي یو حالتي فعالیت دی چې بدلون یې د بیرته راګرځیدونکي پروسې لپاره د اړیکې له مخې تعریف شوی:

\[
dS = \frac{\delta Q_{rev}}{T}
\]

چیرته چې \(dS\) د انټروپي بدلون دی، \(\delta Q_{rev}\) د بیرته راګرځیدونکي تودوخې بدلیدونکی تودوخه ده، او \(T\) مطلق تودوخه (کیلوین) ده. څرنګه چې انټروپي یو حالتي فعالیت دی، نو د انټروپي بدلون یوازې په لومړنیو او وروستیو شرایطو پورې اړه لري، نه د پروسې په لاره پورې. دا په انجینرۍ کې خورا مهم دی ځکه چې دا انجینرانو ته اجازه ورکوي چې د انټروپي بدلون حتی د ریښتیني، نه بیرته راګرځیدونکي پروسو لپاره محاسبه کړي، د ورته دوو حالتونو ترمنځ د خیالي بیرته راګرځیدونکي لارو په کارولو سره.

د انټروپي فزیکي معنی د یو سیسټم د تمایل سره تړاو لري چې د احصایوي پلوه احتمالي حالت ته حرکت کوي، او همدارنګه د انرژۍ د "خپریدو" اندازه. د انجینرۍ په عمل کې، انټروپي ډیری وختونه د دې لپاره کارول کیږي:
۱. معلومه کړئ چې ایا دا پروسه په خپلسري ډول ترسره کېږي.
۲. د پروسې د نه راګرځېدو کچه او کیفیت وارزوئ.
۳. د نظري اعظمي موثریت (مثالي حد) محاسبه کړئ.

۲. د ترموډینامیک او انټروپي تولید دوهم قانون

د انټروپي تحلیل د ترموډینامیک دوهم قانون سره نږدې تړاو لري. د یو جلا شوي سیسټم لپاره، انټروپي هیڅکله نه کمیږي:

\[
\ډیلټا S_{ټول} \ge 0
\]

د حقیقي سیسټمونو لپاره، ټول انټروپي د سیسټم او شاوخوا چاپیریال انټروپي لري. که چیرې یوه پروسه دا وي:
- بیرته راګرځیدونکی، بیا \(\Delta S_{total} = 0\)
– نه بدلیدونکی، بیا \(\Delta S_{total} > 0\)

دلته کلیدي مفهوم د انټروپي تولید (\(S_{gen}\)) دی، کوم چې د انټروپي استازیتوب کوي چې د نه بدلیدونکي ځواکونو لکه رګ، د تودوخې محدود توپیر باندې د تودوخې لیږد، د مایع مخلوط، ګډوډي، وړیا پراختیا، او غیر متوازن کیمیاوي تعاملاتو له امله "تولید شوی" دی. د کنټرول حجم سیسټم لپاره د انټروپي توازن په بڼه، دا په لاندې ډول لیکل کیدی شي:

\[
\frac{dS_{cv}}{dt} = \sum \dot{m}_{in}s_{in} – \sum \dot{m}_{بهر}s_{بهر} + \sum \frac{\dot{Q}}{T} + \dot{S}_{gen}
\]

د \( \dot{S}_{gen} \ge 0\) سره. د انجینرانو لپاره، د \( \dot{S}_{gen} \) ارزښت د پروسې کیفیت شاخص دی: څومره چې دا لوی وي، هومره زیانونه ډیر وي.

۳. په اساسي ترموډینامیک پروسو کې انټروپي

په انجینرۍ تحلیل کې، پروسې ډیری وختونه د محاسبې اسانتیا لپاره د مثالي کولو په توګه ماډل کیږي. ځینې اساسي پروسې او د انټروپي سره د دوی اړیکه په لاندې ډول ده:

الف. ایزوترمل پروسه (ثابت T)
په یوه بیرته راګرځیدونکي ایزوترمل پروسه کې، د انټروپي بدلون په مستقیم ډول د تودوخې داخل/محصول سره تړاو لري:
\[
\ډیلټا ایس = \frac{Q_{rev}}{T}
\]
دا پروسه د کارنوټ انجنونو تحلیل پورې اړه لري او ځینې کمپریشن/توسیع مرحلې خورا ورو دي.

ب. د ایزنټروپیک پروسه (ثابت S)
د ایزنټروپیک پروسه یوه مثالي پروسه ده چې دواړه اډیابټیک او بیرته راګرځیدونکی ده. ډیری انجینري برخې، لکه توربینونه، کمپرسورونه، او نوزلونه، ډیری وختونه د مثالي فعالیت محاسبه کولو لپاره ایزنټروپیک ګڼل کیږي. په حقیقت کې، په دې برخو کې پروسه تقریبا اډیابټیک ده مګر بیرته راګرځیدونکی نه ده، نو انټروپي معمولا زیاتیږي. د ایزنټروپیک چلند څخه انحرافات د ایزنټروپیک موثریت تعریف کولو لپاره کارول کیږي.

ج. نه بدلېدونکی اډیابټیک پروسه
په یوه ریښتینې اډیابټیک پروسه کې، د تودوخې لیږد شتون نلري (\(Q=0\))، مګر انټروپي کولی شي د داخلي نه راګرځیدو له امله زیات شي:
\[
\ډیلټا ایس = ایس_{جن} > ۰
\]
یو عام مثال د رګیدو او ګډوډۍ په واسطه د ګاز فشار دی.

د. ایزوباریک او ایزوکوریک پروسې
د ثابت فشار یا ثابت حجم پروسو لپاره، د انټروپي بدلون د ملکیت معلوماتو (د بخار جدولونه، د مثالي ګاز جدولونه) یا د تودوخې ځانګړي معادلې په کارولو سره محاسبه کیدی شي:
- د مثالي ګازونو لپاره:
\[
\ډیلټا s = c_p \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right) – R\ln\left(\frac{P_2}{P_1}\right)
\]
یا
\[
\ډیلټا s = c_v \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right) + R\ln\left(\frac{v_2}{v_1}\right)
\]

۴. د انجینرۍ تجهیزاتو کې د انټروپي تحلیل پلي کول

الف. توربین او کمپرسور
په یوه مثالي توربین کې، د مایع انتشار د ایزنټروپیک پروسې په جریان کې اعظمي کار تولیدوي. ریښتیني توربینونه د رګیدو او ټربولنس له امله د انټروپي زیاتوالی تجربه کوي، چې پایله یې لږ اصلي کار دی. د توربین ایزنټروپیک موثریت عموما د حقیقي کار او ایزنټروپیک کار تناسب په توګه تعریف شوی. برعکس، په کمپرسور کې، نه راګرځیدونکی د حقیقي کار اړتیا د مثالي څخه لوړه کوي.

ب. د تودوخې تبادله کوونکی (د تودوخې تبادله کوونکی)
د تودوخې تبادلې کونکي ډیری وختونه داسې انګیرل کیږي چې هیڅ کار نه کوي او په ثابت حالت کې کار کوي. که څه هم ډیری وختونه د شاوخوا چاپیریال په اړه غیر فعال ګڼل کیږي، د انټروپي تولید د تودوخې محدود توپیر څخه د تودوخې لیږد له امله رامینځته کیږي. ښه ډیزاین هڅه کوي چې د محلي تودوخې توپیرونه کم کړي، نه بدلیدونکی کم کړي، او \(S_{gen}\) ټیټ کړي.

ج. د تروټلینګ والو
د تروټلینګ پروسې (د مثال په توګه، د یخچال د توسعې والوز کې) عموما د ایزنتالپیک (\(h\) ثابت) په توګه ګڼل کیږي، مګر د انټروپي زیاتوالی راځي. د انټروپي تحلیل مرسته کوي چې پوه شي چې تروټلینګ یوه خورا نه بدلیدونکې پروسه ده او د احتمالي کار له لاسه ورکولو پایله لري. له همدې امله، په ځینو سیسټمونو کې، د توسعې وسیله د کار جذبولو او د نه بدلیدونکي کیدو کمولو لپاره د پراخونکي لخوا بدلیږي، که څه هم د پیچلتیا زیاتوالي په قیمت کې.

د. د یخچال او تودوخې پمپ سیسټمونه
د یخچال په دوره کې، د انټروپي تحلیل د کمپرسور فعالیت، د کنډیشن/تبخیر پروسې کیفیت، او د نه راګرځیدونکي سرچینو ارزونه کې مرسته کوي چې COP (د فعالیت ضخامت) کموي. د \(Ts\) ډیاګرام د ریښتیني کمپریشن او تروټټلینګ پروسو کې د انټروپي زیاتوالي لیدلو لپاره خورا ګټور دی.

۵. انټروپي، انزوا، او د کار ضایع کول

په انجینرۍ کې، انټروپي ډیری وختونه د ایکسرجي مفهوم سره یوځای کیږي، کوم چې د اعظمي انرژۍ اندازه ده چې کولی شي په ګټور کار بدل شي کله چې یو سیسټم د حوالې چاپیریال سره تعامل کوي. د نه بدلیدونکي کیدو له امله د کار ضایع په مستقیم ډول د انټروپي تولید سره تړاو لري:

\[
\dot{W}_{ورک شوی} = T_0 \dot{S}_{gen}
\]

چیرته چې \(T_0\) د محیطي تودوخې درجه ده. دا اړیکه ډیره قوي ده: هر ډول انټروپي چې رامینځته کیږي د "کاري ظرفیت" له لاسه ورکول استازیتوب کوي. له همدې امله، د صنعتي سیسټم اصلاح کول ډیری وختونه په غالب اجزاو کې د \( \dot{S}_{gen} \) کمولو باندې تمرکز کوي، لکه کمپرسورونه، احتراق کونکي، یا د تودوخې تبادله کونکي چې د تودوخې لوی توپیرونه لري.

۶. د تحلیل وسیلې په توګه د Ts ډیاګرام

د تودوخې انټروپي (\(Ts\)) ​​ډیاګرام یو مهم بصري وسیله ده. د \(Ts\) ډیاګرام کې د بیرته راګرځیدونکي پروسې د منحني لاندې ساحه د تودوخې لیږد \(Q_{rev}\) استازیتوب کوي. دا ډیاګرام د انجینرانو لپاره دا اسانه کوي چې وګوري:
- ایا پروسه تقریبا بیرته راګرځیدونکې ده (منحنی "پاک" دی او په انټروپي کې نه زیاتیږي).
– په کمپریشن، انبساط، او د تودوخې اضافه کولو/لرې کولو کې څومره نه راګرځیدونکی والی شتون لري؟
- د مثالي دورې او اصلي دورې پرتله کول.

7. Kesimpulan

د انجینرۍ ترموډینامیک پروسو کې د انټروپي تحلیل د انرژۍ سیسټمونو د فعالیت د پوهیدو او ښه کولو لپاره یوه بنسټیزه لاره ده. انټروپي د ترموډینامیک دوهم قانون د ساحې واقعیتونو سره نښلولو کې مرسته کوي: هیڅ پروسه په ریښتیا سره بیرته راګرځیدونکې نه ده، او هر نه راګرځیدونکی انټروپي تولیدوي او احتمالي کار کموي. د انټروپي توازن له لارې، انجنیران کولی شي د زیانونو سرچینې وپیژني، د مایع ماشینونو ایزنټروپیک موثریت ارزونه وکړي، د تودوخې تبادلې ډیزاینونو کیفیت ارزونه وکړي، او د انټروپي تولید د اکسري زیانونو سره تړاو ولري. په نهایت کې، د انټروپي مفهوم ماسټر کول یوازې یوه اکاډمیک اړتیا نه ده بلکه په عصري صنعتي غوښتنلیکونو کې د ډیر اغیزمن، انرژي موثر، او باوري حرارتي سیسټمونو ډیزاین کولو لپاره یوه عملي وسیله ده.