د تودوخې انجنونو لپاره د ترموډینامیک دوهم قانون پلي کول
د تودوخې انجن د ټیکنالوژۍ په تاریخ کې یو له خورا مهمو اختراعاتو څخه دی ځکه چې دا انسانانو ته اجازه ورکړه چې حرارتي انرژي په ګټور میخانیکي کار بدله کړي. د صنعتي انقلاب د بخار انجنونو څخه تر ګاز توربینونو او په عصري موټرو کې داخلي احتراق انجنونو پورې، د تودوخې انجن بنسټیز مفهوم ورته پاتې دی: د تودوخې سرچینه، د تودوخې سنک، او تولید شوی کار. مګر ایا ټول تودوخه په 100٪ وخت کې په کار بدلیدلی شي؟ ولې تل د نه منلو وړ "زیانونه" شتون لري؟ ځواب د ترموډینامیک دوهم قانون کې دی. دا قانون یوازې یو نظري قاعده نه ده، بلکې یو بنسټیز حد دی چې دا ټاکي چې د تودوخې انجن څومره په اغیزمنه توګه کار کولی شي او څنګه باید ډیزاین شي.
د تودوخې انجنونو عمومي کتنه
په ساده ډول، د تودوخې انجن یو سیسټم دی چې په دوراني ډول کار کوي ترڅو ځینې راتلونکي تودوخې انرژي په کار بدل کړي. په یوه دوره کې، انجن د ګرمې زیرمې څخه تودوخه جذبوي (د بیلګې په توګه، د سونګ موادو احتراق یا اټومي ریکټور)، کار تولیدوي (د بیلګې په توګه، د شافټ بدلول)، او بیا پاتې تودوخه سړې زیرمې ته ردوي (د بیلګې په توګه، بهر هوا یا سړې اوبه). دا درې عناصر - ګرمې زیرمې، انجن، او سړې زیرمې - تل په ریښتینې تودوخې انجن کې شتون لري.
که موږ عام علامت وکاروو:
- ماشین د تودوخې سرچینې څخه د Qₕ (د تودوخې داخلولو) په اندازه تودوخه جذبوي.
- ماشین د W کار کوي.
- ماشین چاپیریال یا سړې سرچینې ته د Q𝑐 په اندازه تودوخه خوشې کوي.
په وینا د د ترموډینامیک لومړی قانون (د انرژۍ ساتنه)، تطبیق کیږي:
پوښتنهₕ = W + پوښتنه𝑐
دا پدې مانا ده چې تولید شوی کار د تودوخې د ننوتلو او له لاسه ورکړل شوي تودوخې ترمنځ توپیر دی. په هرصورت، لومړی قانون دا نه تشریح کوي چې ولې Q𝑐 صفر نشي کیدی. دا هغه ځای دی چې دوهم قانون مهم رول لوبوي.
د ترموډینامیک د دوهم قانون بیان
د تودوخې دوهم قانون په څو مساوي بڼو کې بیان کیدی شي، مګر دوه بیانونه چې د تودوخې انجنونو سره خورا اړونده دي دا دي:
۱. د کیلوین-پلانک بیان:
د تودوخې انجن جوړول ناممکن دي چې په یوه دوره کې کار وکړي او د یوې زیرمې څخه جذب شوې ټوله تودوخه په کار بدله کړي پرته له دې چې تودوخه بلې زیرمې ته رد کړي.
په بل عبارت، د تودوخې انجن لپاره دا ناممکنه ده چې ۱۰۰٪ موثریت ولري.
۲. د کلاوسیوس بیان:
د بهرني کار پرته د سړې شی څخه ګرم شی ته د تودوخې لیږد ناممکن دی.
دا تشریح کوي چې ولې یخچالونه / AC بریښنایی انرژۍ ته اړتیا لري: ترڅو تودوخه "زور" کړي چې د هغې طبیعي لوري پر وړاندې حرکت وکړي.
دواړه بیانونه په حقیقت کې یو اصل بیانوي: طبیعي پروسې سمت لري (نه بدلیدونکی)، او د تودوخې انرژۍ ګټورې انرژۍ ته د بدلولو لپاره بنسټیز محدودیتونه شتون لري .
انټروپي او د پروسې لارښوونه
د دوهم قانون څخه راپورته کیدونکی یو مهم مفهوم انټروپي (S) دی، یو مقدار چې ډیری وختونه د انرژۍ د ویش یا د ګډوډۍ درجې د اندازې په توګه پیژندل کیږي، که څه هم د دې ترموډینامیک تعریف ډیر رسمي دی. د بیرته راګرځیدونکي پروسې لپاره، د انټروپي بدلون په لاندې ډول تعریف شوی:
dS = δQ_rev / T
دوهم قانون وايي چې د یو جلا شوي سیسټم لپاره، ټول انټروپي هیڅکله نه کمیږي:
ΔS_ټول ≥ 0
د تودوخې انجن په شرایطو کې، کله چې تودوخه له ګرمې سرچینې څخه سړې سرچینې ته ځي، نو ټول انټروپي زیاتیږي. د انجن د کار تولید لپاره، دا د تودوخې انرژۍ دا "بهیر" کاروي، مګر دا باید لاهم د دې اړتیا سره سم عمل وکړي چې ټول انټروپي باید کم نشي. په پایله کې، ځینې تودوخه باید تل سړې زیرمې ته رد شي. دا رد کول یوازې تخنیکي زیان نه دی، بلکې د انټروپي اړتیا پوره کولو لپاره یو بنسټیز اړتیا ده.
د تودوخې انجن موثریت او د کارنوټ محدودیت
د تودوخې انجن د تودوخې موثریت د تولید شوي کار او د تودوخې سرچینې څخه جذب شوي تودوخې تناسب په توګه تعریف شوی:
η = W / Qₕ = (Qₕ − Q𝑐) / Qₕ = 1 − (Q𝑐 / Qₕ)
دوهم قانون د η اعظمي ارزښت محدودوي. تر ټولو په نظرياتي ډول موثر تودوخه انجن د کارنوټ انجن دی، یو مثالی انجن چې د کیلوین په تودوخه Tₕ (ګرم) او T𝑐 (سړه) کې د دوو زیرمو ترمنځ په بیرته راګرځیدونکي ډول کار کوي. د کارنوټ اعظمي موثریت د لاندې لخوا ورکول کیږي:
η_کارنټ = 1 − (T𝑐 / Tₕ)
دا فورمول دوه مهم شیان ښیي:
۱. اعظمي موثریت یوازې د زیرمو د تودوخې پورې اړه لري، نه د کاري مایع ډول یا د انجن ډیزاین توضیحاتو پورې.
۲۰۲۳. لپاره موثریت زیات کړئ، موږ باید یا Tₕ زیات کړو یا T𝑐 کم کړو. په هرصورت، دواړه د موادو، خوندیتوب، لګښت، او چاپیریالي شرایطو له مخې محدود دي.
مثال: که Tₕ = 900 K او T𝑐 = 300 K وي، نو:
η_کارنټ = 1 - 300/900 = 1 - 1/3 = 0,667 (66,7٪)
دا مثالی حد دی. اصلي انجنونه به د رګیدو، تودوخې ضایع کیدو، نیمګړي احتراق، او نورو نه بدلیدونکي عواملو له امله ټیټ موثریت ولري.
په ریښتیني ماشینونو کې نه بدلیدونکی وړتیا
دوهم قانون دا هم تشریح کوي چې ولې ریښتیني انجنونه هیڅکله د کارنوټ موثریت نه ترلاسه کوي. اصلي لامل یې نه راګرځیدونکی دی، کوم چې هغه پروسه ده چې انټروپي تولیدوي. د تودوخې انجنونو کې د نه راګرځیدونکي ځینې سرچینې په لاندې ډول دي:
- په شافټونو، بیرنګونو او حرکت کونکو برخو کې میخانیکي رګونه.
- د تودوخې د لوی توپیر له لارې د تودوخې لیږد، د بیلګې په توګه د ډیر ګرم احتراق خونې څخه د کار کولو مایع ته تودوخه؛ د دې ډول لیږد د مثالي پروسې په پرتله ډیر انټروپي تولیدوي.
- په پایپونو، والوز او توربینونو کې د مایع جریان کې ګډوډي او د فشار کمښت.
- د ګاز او هوا یا احتراق محصولاتو نه بدلیدونکی مخلوط.
- احتراق پخپله یوه ډېره نه بدلېدونکې پروسه ده.
دا ټول شیان ټول انټروپي زیاتوي او د کار تولید ظرفیت "کاروي"، نو موثریت کمیږي.
د داخلي احتراق انجنونو او بخار بریښنا فابریکو کې کارول
په داخلي احتراق انجنونو (لکه پټرول او ډیزل انجنونو) کې، د تودوخې سرچینه د سلنډر دننه د احتراق غبرګون څخه راځي. انجن د احتراق په جریان کې په لوړه تودوخه کې تودوخه (په مؤثره توګه) جذبوي، بیا د اخراج ګازونو او یخولو سیسټم (ریډیټر) له لارې تودوخه ردوي. دوهم قانون تشریح کوي چې ولې د موټرو انجنونه په دوامداره توګه د فاضله تودوخې لوی مقدار تولیدوي: دا ناممکنه ده چې د سونګ ټول انرژي د شافټ کار ته واړول شي.
په بخار چلونکي فابریکه (PLTU) کې ، اوبه د لوړ فشار بخار ته تودوخه کیږي ترڅو توربین وګرځوي. د توربین څخه تیریدو وروسته، بخار په کنډنسر کې سړه کیږي ترڅو بیرته اوبو ته راستون شي او بیا پمپ کیدی شي . دا کنډنسر د سړې زیرمې په توګه کار کوي. ډیری خلک کنډنسر د "انرژی ضایع کول" ګڼي، مګر د ترموډینامیک پلوه، د تودوخې ضایع کول د دورې د دوام لپاره او د بشپړ انټروپي لپاره د دوهم قانون څخه سرغړونه نه کولو لپاره اړتیا ده. له همدې امله، PLTUs معمولا د یخولو لپاره د لویو اوبو سرچینو ته نږدې جوړ شوي، یا د یخولو برجونه کاروي.
د دوهم قانون پر بنسټ د فعالیت د ښه والي ستراتیژۍ
ځکه چې دوهم قانون محدودیتونه وضع کوي، د تودوخې انجنونو کې پرمختګونه د نه راګرځیدو کمولو او د تودوخې اغیزمن حد پراخولو باندې تمرکز کوي. ځینې عامې ستراتیژۍ پدې کې شاملې دي:
- د رینکین دورې (PLTU) کې سوپرهټوینګ او بیا تودوخه کول ترڅو د توربین داخلیدو تودوخه لوړه شي.
- بیا تولید (د اوبو ګرمولو ګرمونکی) ترڅو د اوبو د تودوخې لپاره د فاضله تودوخې څخه کار واخیستل شي، د بویلر د تودوخې اړتیاوې کمې شي.
- ګډ دوره (د ګازو او بخار ګډ دوره)، چیرې چې د فاضله تودوخې د ګاز توربین د بخار تولید لپاره کارول کیږي چې د بخار توربین ګرځوي. دا د کارولو کچه لوړوي د تودوخې انرژي او سیسټم ته نږدې راوړي د لوړ موثریت محدودیتونه.
- د موادو ښه والی ترڅو اجزاو ته اجازه ورکړي چې کار وکړي لوړه تودوخه پرته له زیان څخه، ترڅو Tₕ زیات شي.
- د توربین ایروډینامیک ډیزاین، غوره غوړولو، او د مایع لارې اصلاح کولو له لارې د رګونو او جریان ضایعات کم کړئ.
دا ټولې هڅې په اصل کې د دوهم قانون عملي تطبیقونه دي: د انټروپي اداره کول او د انټروپي تولید فشارول ترڅو د تودوخې انرژي په کار بدله شي.
پایله
د تودوخې انجنونو لپاره د ترموډینامیک دوهم قانون پلي کول یو بنسټیز حد څرګندوي چې هیڅ ټیکنالوژي یې نشي ماتولی: هیڅ انجن نشي کولی ټوله تودوخه په یوه دوره کې په کار بدله کړي. د سړو زیرمو او تودوخې ډوبونو شتون یوازې د ډیزاین نیمګړتیا نه ده، بلکې د پروسې طبیعي لوري او د انټروپي زیاتوالي مستقیم پایله ده. د موثریت مفکورو، د کارنوټ حد، او د نه بدلیدونکي تحلیل له لارې، دوهم قانون د ډیرو موثرو انجنونو ډیزاین کولو لپاره لومړنی لارښود چمتو کوي - د موټرو انجنونو څخه تر لوی پیمانه بریښنا فابریکو پورې. د دوهم قانون په پوهیدو سره، موږ نه یوازې پوهیږو چې "ولې موثریت محدود دی" بلکه "چیرې باید ښه شي" ترڅو د تودوخې انجنونه د طبیعت لخوا اجازه ورکړل شوي غوره فعالیت ته نږدې کړي.
