د کارنوټ انجن سایکل په اړه مقاله
د تودوخې انجن د موثریت د لوړولو د موندلو لپاره، د سعدي کارنوټ (۱۷۹۶-۱۸۳۲) په نوم یو فرانسوي ساینس پوه په ۱۸۲۴ کال کې په تیوریکي ډول د تودوخې یو مثالي انجن مطالعه کړ. په هغه وخت کې، د ترموډینامیک لومړی قانون نه و جوړ شوی، او نه هم د ترموډینامیک دوهم قانون. لومړی قانون نه و جوړ شوی ځکه چې ساینس پوهان لا نه پوهیدل چې تودوخه انرژي ده. وروسته له هغه چې جول او د هغه ملګرو په ۱۸۳۰ لسیزه کې تجربې ترسره کړې، ساینس پوهان یوازې په یقین سره پوهیدل چې تودوخه هغه انرژي ده چې د تودوخې د توپیرونو له امله لیږدول کیږي. نو د ترموډینامیک لومړی قانون له ۱۸۳۰ وروسته جوړ شو. سعدي کارنوټ په ۱۸۲۴ کال کې د تودوخې یو مثالي انجن په تیوریکي ډول مطالعه کړی و. هغه څیړنه چې هغه یې وکړه په حقیقت کې د بخار انجنونو موثریت زیاتول وو چې په هغه وخت کې کارول کیدل. په هغه وخت کې ډیری بخار انجنونه لږ موثر وو.
د یوې مثالي تودوخې انجن دوره چې د سادي کارنوټ لخوا رامینځته شوې، د کارنوټ دورې په نوم یادیږي. د کارنوټ دورې بیاکتنې دمخه، دا ګټوره ده چې د نه بدلیدونکي پروسو په اړه پوه شو. د انرژۍ د بدلون او لیږد هره طبیعي پروسه معمولا نه بدلیدونکي وي. د مثال په توګه، که موږ خپل لاسونه سره یو ځای مسح کړو، دوی ګرم احساس کوي. پدې حالت کې، تودوخه د هغه کار له لارې تولید کیږي چې موږ یې کوو. پروسه نه بدلیدونکي ده. تولید شوې تودوخه نشي کولی زموږ د لاسونو سره په یو ځای مسح کولو سره پخپله کار ترسره کړي. د تودوخې انجن هدف دا دی چې دا پروسه په جزوي ډول بیرته راولي، چیرې چې تودوخه د اعظمي ممکنه موثریت سره د کار ترسره کولو لپاره کارول کیدی شي. د تودوخې انجن لپاره چې اعظمي موثریت ترلاسه کړي، موږ باید د ټولو نه بدلیدونکي پروسو څخه مخنیوی وکړو. په طبیعي ډول د تودوخې لیږد معمولا نه بدلیدونکی وي، له همدې امله هڅې کیږي چې د تودوخې لیږد مخه ونیول شي.
کله چې انجن تودوخه اخلي QH په هغو ځایونو کې چې تودوخه لوړه وي (TH)، په ماشین کې کاري ماده باید د T تودوخې سره هم ويH. په ورته ډول، که چیرې انجن تودوخه لرې کړي QL په هغو ځایونو کې چې ټیټه تودوخه لري (TL)، په ماشین کې کاري ماده باید د T تودوخې سره هم ويL. نو هره پروسه چې د تودوخې لیږد پکې شامل وي باید ایزوترمل (ورته تودوخه) وي. برعکس، که چیرې په انجن کې د کاري موادو تودوخه د T ترمنځ ويH او ټL، د ماشین او هغه ځای ترمنځ باید د تودوخې لیږد شتون ونلري چې تودوخه T ولريH (د تودوخې برابرونکی) او هغه ځای چې تودوخه T ولريL (له منځه وړل). د دې لپاره چې تودوخه بهر نشي، دا پروسه باید په غیر مستقیم ډول ترسره شي.
د کارنوټ دوره په حقیقت کې د دوو بیرته راګرځیدونکو ایزوترمل پروسو او دوه بیرته راګرځیدونکو اډیاباتیک پروسو څخه جوړه ده.
په ښي خوا کې انځور د مثالي ګاز لپاره د کارنوټ دوره ښیي. په پیل کې، تودوخه د ایزوترمل انبساط (a-b) په جریان کې جذب کیږي. د ایزوترمل انبساط په جریان کې، د ګاز تودوخه په سلنډر کې ثابت ساتل کیږي.
بیا، ګاز په اډیاباتیک ډول پراخیږي ترڅو د هغې تودوخه له T H څخه T L (b-c) ته راټیټه شي. T H = لوړه تودوخه (لوړه تودوخه)، T L = ټیټ تودوخه (ټیټ تودوخه). د اډیاباتیک تودوخه په جریان کې، هیڅ تودوخه سلنډر ته نه ننوځي او نه بهر کیږي. له هغې وروسته، ګاز په ایزوترمل ډول فشار کیږي (c-d). د ایزوترمل کمپریشن په جریان کې، د ګاز تودوخه ثابت ساتل کیږي. بیا، ګاز په اډیاباتیک ډول فشار کیږي (d-a). ځکه چې دا په اډیاباتیک ډول فشار کیږي، د ګاز تودوخه لوړیږي. د ګاز تودوخه لوړیږي ترڅو د ګاز فشار هم لوړ شي. د کارنوټ دورې ټولې پروسې بیرته راګرځیدونکي دي.
د ایزوترمل توسعې او کمپریشن په جریان کې، د ګاز تودوخه ثابته ساتل کیږي. هدف د تودوخې د توپیرونو څخه مخنیوی دی. د تودوخې توپیرونه کولی شي د تودوخې لیږد (یو نه بدلیدونکی پروسه) رامینځته کړي. د ایزوترمل پروسې د رامینځته کیدو لپاره (د ګاز تودوخه ثابته ساتل)، ګاز باید ورو ورو پراخ یا کمپرس شي. په حقیقت کې، د ګاز توسعې یا کمپریشن ډیر ژر پیښیږي. دا د ټربولنس (د مایع متحرکاتو موضوع په یاد ولرئ)، رګونو، واسکاسیټي، او نورو له امله دی. په پایله کې، یو بشپړ ایزوترمل پروسه به هیڅکله شتون ونلري. پرځای یې، اډیابټیک توسعې او کمپریشن په چټکۍ سره پیښیږي.
موخه دا ده چې د تودوخې د سلنډر دننه یا بهر ته د ننوتلو مخه ونیول شي. رګونه، واسکاسیټي، او نور عوامل د بشپړ اډیابټیک پراخیدو او کمپریشن مخه نیسي. دا مهمه ده چې په یاد ولرئ چې د کارنوټ انجن په بشپړ ډول تیوریکي دی؛ دا زموږ په ورځني ژوند کې شتون نلري. که څه هم تیوریکي، د کارنوټ انجن د ترموډینامیک پراختیا کې د پام وړ مرسته کوي. لږترلږه، موږ کولی شو هر هغه نه بدلیدونکي پروسې وپیژنو چې ممکن د پروسې په جریان کې پیښ شي او هڅه وکړو چې دوی کم کړو، پدې توګه زموږ د ډیزاین شوي تودوخې انجن موثریت اعظمي کوو.
د کارنوټ انجن یوه ډیره مهمه پایله دا ده چې د یو بشپړ تودوخې انجن لپاره، ترلاسه شوی تودوخه (Q H ) د تودوخې T H سره متناسب ده او رد شوی تودوخه (Q L ) د تودوخې T L سره متناسب ده . په دې توګه، د یو بشپړ تودوخې انجن موثریت دا دی:
د مثال پوښتنه ۱:
د بخار انجن د 500 درجو سانتي ګراد او 300 درجو سانتي ګراد ترمنځ کار کوي. د بخار انجن مثالی موثریت (کارنوټ موثریت) معلوم کړئ.
بحث
د تودوخې درجه باید د کیلوین پیمانه ته واړول شي.
د حرارت درجه (لوړه تودوخه) = ۵۰۰ ° C = ۵۰۰ + ۲۷۳ = ۷۷۳ K
T L (ټيټه تودوخه) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
د یو بشپړ تودوخې انجن مثالی موثریت یا موثریت چې د 500 o C او 300 o C ترمنځ کار کوي 26٪ دی. که چیرې هغه انجن چې موږ یې په ورځني ژوند کې کاروو د 500 o C او 300 o C ترمنځ کار کوي، نو اعظمي موثریت چې انجن یې ترلاسه کولی شي معمولا د مثالي موثریت شاوخوا 0,7 ځله وي (18,2٪).
د مثال پوښتنه ۱:
د تودوخې انجن د 300 درجو سانتي ګراد په تودوخه کې 600 جولونه تودوخه (Q) ترلاسه کوي ، 100 جولونه کار (W) کوي او د 100 درجو سانتي ګراد په تودوخه کې 500 J ردوي . د دې انجن اصلي موثریت او مثالي موثریت (کارنوټ موثریت) مشخص کړئ...
بحث
د تودوخې درجه باید د کیلوین پیمانه ته واړول شي.
د حرارت درجه (لوړه تودوخه) = ۳۰۰ درجو سانتي ګراد ‐‐‐ ۳۰۰ + ۲۷۳ = ۵۷۳ درجو سانتي ګراد
T L (ټيټه تودوخه) = 100 ° C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
د انجن موثریت:
د یو بشپړ تودوخې انجن مثالی موثریت یا موثریت چې د 300 o C او 100 o C ترمنځ فعالیت کوي 35٪ دی. اعظمي موثریت چې انجن یې ترلاسه کولی شي معمولا د مثالي موثریت شاوخوا 0,7 ځله وي = 0,7 x 35٪ = 24,5٪ (24,5٪ x 600 J = 147 J تودوخه چې د کار کولو لپاره کارول کیدی شي).
د دې انجن اصلي موثریت ۱۷٪ دی (یوازې ۱۰۰ J تودوخه د کار کولو لپاره کارول کیږي). لاهم شاوخوا ۱۴۷ J – ۱۰۰ J = ۴۷ J تودوخه شتون لري چې د کار کولو لپاره کارول کیدی شي. دا به ښه وي که چیرې د دې انجن موثریت لوړ شي ترڅو هغه زیانونه کم شي چې موږ یې کوو.
د مثال پوښتنه ۱:
یو ماشین ۱۰۰۰ جولونه تودوخه ترلاسه کوي او په هره دوره کې ۴۰۰ جولونه کار تولیدوي. دا ماشین د ۵۰۰ درجو سانتي ګراد او ۲۰۰ درجو سانتي ګراد ترمنځ کار کوي. د دې ماشین اصلي موثریت او مثالي موثریت څه دی؟
بحث
د حرارت درجه (لوړه تودوخه) = ۵۰۰ درجو سانتي ګراد ‐‐‐ ۵۰۰ + ۲۷۳ = ۷۷۳ درجو سانتي ګراد
T L (ټيټه تودوخه) = 200 ° C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
د انجن موثریت:
د دې ماشین مثالی موثریت دا دی:
مثالي موثریت، چې د کارنوټ موثریت په نوم هم پیژندل کیږي، ۴۰٪ دی. د انجن اصلي موثریت ۶۰٪ دی. داسې انجن شتون نلري. دا ناممکنه ده چې د انجن موثریت د کارنوټ موثریت څخه ډیر شي.
د مثال پوښتنه ۱:
د کارنوټ انجن د موثریت لپاره چې ۱۰۰٪ (۱) ته ورسیږي، د وتلو تودوخه (TL ) څومره اړینه ده؟
بحث
د دې لپاره چې د تودوخې یو بشپړ انجن موثریت ۱۰۰٪ ته ورسیږي (ټول داخلي تودوخه د کار کولو لپاره کارول کیدی شي)، د اخراج تودوخه (TL ) باید = ۰ کیلوین وي.
د صفر کیلوین تودوخې ته رسیدل ناممکن دي. دا بیان د ترموډینامیک دریم قانون دی.
ځکه چې د صفر کیلوین ترلاسه کول ناممکن دي، یو بشپړ تودوخې انجن ممکن 100٪ موثریت ونلري. حتی یو بشپړ تودوخې انجن نشي کولی 100٪ موثریت ولري، هغه تودوخې انجنونه پریږدئ چې موږ یې په ورځني ژوند کې کاروو.
څرنګه چې د تودوخې انجن لخوا ۱۰۰٪ موثریت نشي ترلاسه کیدی، نو موږ کولی شو دې پایلې ته ورسیږو چې د کار کولو لپاره د ټولې داخلې تودوخې (Q H ) کارول ناممکن دي. باید یو څه تودوخه ضایع شوې وي (Q L ).
د تودوخې انجن (چې په یوه سایکل کې کار کوي) لپاره دا ناممکنه ده چې ټوله تودوخه په کار بدله کړي (د ترموډینامیک دوهم قانون - د کیلوین-پلانک بیان).
پورته غټ ایټالیک شوی متن د ترموډینامیک د دوهم قانون ځانګړی بیان دی. دا یو ځانګړی بیان بلل کیږي ځکه چې دا یوازې د تودوخې انجنونو لپاره پلي کیږي. ځکه چې کیلوین او پلانک دا جوړ کړی، دا د کیلوین-پلانک بیان هم بلل کیږي. په پورته بیان کې د "سایکل" کلمې شتون ته پام وکړئ. سایکل یوه پروسه ده چې په مکرر ډول پیښیږي. نو، د تودوخې انجن په دوامداره توګه کار کوي. د "سایکل" کلمه اضافه شوې ځکه چې، په حقیقت کې، ټول تودوخه په کار بدلیدلی شي که چیرې پروسه یوازې یو ځل پیښ شي.
د ترموډینامیک په لومړي قانون کې، څو ترموډینامیک پروسې تشریح شوې، په شمول د ایزوترمل، ایزوباریک، ایزوکوریک، او اډیابټیک پروسې. په ایزوترمل پروسه کې، ټول تودوخه په کار بدلیدلی شي (Q = W). دا واقع کیدی شي که چیرې پروسه یوازې په یوه مرحله کې ترسره شي. لاندې انځور وګورئ:
دا ګراف یوه ایزوترمل پروسه (ایسوترمل پراخوالی) ښیي چې په یوه مرحله کې ترسره کیږي. پدې پروسه کې، ټول تودوخه (Q) په کار (W) بدلیږي. د ترسره شوي کار اندازه = سیوري شوې ساحه.
د ګټور کیدو لپاره، د تودوخې انجن باید په دوامداره توګه کار وکړي (پروسه باید په مکرر ډول ترسره شي، نه یوازې په یوه مرحله کې). د مثال په توګه، د متقابل بخار انجن. د متقابل بخار انجن کې پسټون باید په دوامداره توګه ښي او چپ لوري ته حرکت وکړي ترڅو څرخ وګرځي (د یو څه حرکت کولو لپاره کارول کیدی شي). څرخ نشي ګرځیدلی که چیرې پسټون یوازې ښي لوري ته حرکت وکړي، وروسته له هغه چې ودریږي (پروسه یوازې په یوه مرحله کې پیښیږي). که چیرې پروسه په مکرر ډول ترسره شي (پسټون په دوامداره توګه ښي او چپ لوري ته حرکت کوي)، نو دا ناممکنه ده چې ټول تودوخه په کار بدله شي (د کیلوین-پلانک بیان). د مثال په توګه، راځئ چې په پورته ګراف کې ښودل شوي ایزوترمل پروسه په پام کې ونیسو.
د چپ اړخ ګراف د ایزوترمل پراخوالی (ښکته غشی) او ایزوترمل کمپریشن (پورته غشی) ښیي. دا پروسه په دوامداره توګه په ایزوترمل ډول ترسره کیږي (هیڅ کار نه تولیدیږي). د ښي اړخ ګراف د ایزوترمل پراخوالی (ښکته غشی)، ایزوباریک کمپریشن (کیڼ غشی)، او ایزوترمل پروسه (پورته غشی) ښیي. د دې دوو ګرافونو څخه، دا روښانه ده چې د هغو پروسو لپاره چې په دوامداره توګه (دوران) پیښیږي، تل د تودوخې ضایع شتون لري. دا د کیلوین-پلانک د پخوانۍ بیان سره سم دی.
