තාප ගති විද්‍යාවේ දෙවන නියමය

තාප ගති විද්‍යාවේ දෙවන නියමය පිළිබඳ ලිපිය

ස්වභාවිකව සිදුවන සියලුම ක්‍රියාවලීන් එක් දිශාවකට පමණක් සිදුවන නමුත් ප්‍රතිවිරුද්ධ දිශාවට සිදුවිය නොහැක, සාමාන්‍යයෙන් ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්‍රියාවලීන් ලෙස හැඳින්වේ. එහි කඳෙන් නිදහස් වී නිදහසේ බිමට වැටීමෙන් පසු, අඹ ගෙඩියක් නැවත කිසිදා ඉහළට ගමන් නොකරයි. අප තල්ලු කර නතර කරන පොතක් කිසි විටෙකත් අප දෙසට ආපසු නොයනු ඇත. අපි අඩු උෂ්ණත්ව වස්තුවක් (සීතල වස්තුවක්) සමඟ ඉහළ උෂ්ණත්ව වස්තුවක් (උණුසුම් වස්තුවක්) ස්පර්ශ කළහොත්, තාපය ස්වභාවිකවම ඉහළ උෂ්ණත්ව වස්තුවෙන් අඩු උෂ්ණත්ව වස්තුවට ගලා යයි. අපට කිසි විටෙකත් ප්‍රතිලෝම ක්‍රියාවලිය නොපෙනේ, එහිදී තාපය ස්වභාවිකවම සීතල වස්තුවක සිට උණුසුම් වස්තුවකට ගමන් කරයි. මෙම ක්‍රියාවලිය සිදු වූයේ නම්, සීතල වස්තුව සීතල වන අතර උණුසුම් වස්තුව උණුසුම් වනු ඇත. නමුත් යථාර්ථයේ දී එය එසේ නොවේ. එකිනෙකට වෙනස් ලෙස පෙනෙන බොහෝ ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්‍රියාවලීන් ඇත, නමුත් ඒ සියල්ලටම ශක්ති ස්වරූපයෙන් වෙනස්කම් සහ එක් වස්තුවකින් තවත් වස්තුවකට ශක්තිය මාරු කිරීම ඇතුළත් වේ.

උදාහරණයක් ලෙස, ගොඩනැගිලි කඩා වැටීමට හේතු වන ප්‍රබල භූමිකම්පාවක් ඇත (භූමිකම්පා තරංග මගින් ගෙන යන ශක්තිය නිසා ගොඩනැගිලි කඩා වැටේ). කඩා වැටුණු ගොඩනැගිල්ලේ සෑම කොටසක්ම නැවත එකට එකතු වී පෙර මෙන් කෙළින් සිටගෙන සිටිනු ඔබ කවදා හෝ දැක තිබේද? නැතහොත්, උදාහරණයක් ලෙස, වීදුරුවක් බිම වැටී කැඩී යයි... බිම විසිරී ඇති වීදුරු කැබලි නැවත එකට එකතු වී පෙර මෙන් සම්පූර්ණ වීදුරුවක් සාදනු ඔබ කවදා හෝ දැක තිබේද? කිසිදා සිදු වී නැත... තවත් බොහෝ උදාහරණ තිබේ.

එක් දිශාවකට පමණක් සිදුවන තාප ගතික ක්‍රියාවලීන් (ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්‍රියාවලීන්) පැහැදිලි කිරීම සඳහා විද්‍යාඥයින් තාප ගති විද්‍යාවේ දෙවන නියමය සකස් කළහ. තාප ගති විද්‍යාවේ දෙවන නියමය විශ්වයේ සිදුවිය හැකි ක්‍රියාවලීන් සහ සිදුවිය නොහැකි ක්‍රියාවලීන් පැහැදිලි කරයි. R.J.E. ක්ලවුසියස් (1822–1888) නම් විද්‍යාඥයෙක් පහත ප්‍රකාශය කළේය:

තාපය ඉහළ උෂ්ණත්ව වස්තුවක සිට අඩු උෂ්ණත්ව වස්තුවකට තනිවම ගමන් කරයි; තාපය අඩු උෂ්ණත්ව වස්තුවක සිට ඉහළ උෂ්ණත්ව වස්තුවකට තනිවම ගමන් නොකරයි (තාප ගති විද්‍යාවේ දෙවන නියමය - ක්ලෝසියස් ප්‍රකාශය).

ක්ලෝසියස් ප්‍රකාශය තාප ගති විද්‍යාවේ දෙවන නියමයේ විශේෂ ප්‍රකාශයකි. එය එක් ක්‍රියාවලියකට, එනම් තාප හුවමාරුවට පමණක් අදාළ වන බැවින් එය විශේෂ ප්‍රකාශයක් ලෙස හැඳින්වේ. මෙම ප්‍රකාශය අනෙකුත් ක්‍රියාවලීන්ට අදාළ නොවන බැවින්, අපට වඩාත් පොදු ප්‍රකාශයක් අවශ්‍ය වේ. තාප ගති විද්‍යාවේ දෙවන නියමයේ සාමාන්‍ය ප්‍රකාශයේ වර්ධනය අර්ධ වශයෙන් තාප එන්ජින් අධ්‍යයනය මත පදනම් විය. එබැවින්, අපි මුලින්ම තාප එන්ජින් ගැන සාකච්ඡා කරමු.

තාප එන්ජිම

අප භාවිතා කරන ශක්තියෙන් වැඩි ප්‍රමාණයක් ලැබෙන්නේ ඛනිජ තෙල්, ගෑස් සහ ගල් අඟුරු වල අඩංගු රසායනික විභව ශක්තියෙනි. ඛනිජ තෙල්, ගෑස් හෝ ගල් අඟුරු වල අඩංගු රසායනික විභව ශක්තිය කෙලින්ම භාවිතා කළ නොහැක. ඛනිජ තෙල්, ගෑස් හෝ ගල් අඟුරු පළමුව පුළුස්සා දැමිය යුතුය. සාමාන්‍යයෙන්, පොසිල ඉන්ධන (ඛනිජ තෙල්, ගෑස් සහ ගල් අඟුරු) දහනය කිරීමෙන් තාපය නිපදවයි. ආහාර පිසීමට සහ කාමරයක් උණුසුම් කිරීමට තාපය සෘජුවම භාවිතා කළ හැකිය. යමක් චලනය කිරීමට (උදාහරණයක් ලෙස, වාහනයක් චලනය කිරීමට), අපි තාපය චාලක ශක්තිය හෝ යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කළ යුතුය (යාන්ත්‍රික ශක්තිය = විභව ශක්තිය + චාලක ශක්තිය). යාන්ත්‍රික ශක්තිය තාපය බවට පරිවර්තනය කිරීම ඉතා පහසු කාර්යයකි, නමුත් තාපය යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කිරීම දුෂ්කර ය. ඔබේ අත්ල එකට අතුල්ලන්න උත්සාහ කරන්න... ඔබේ අත්ල උණුසුම්, හරිද? අපි අපේ අත්ල එකට අතුල්ලන විට (අපි වැඩ කරනවා), යාන්ත්‍රික ශක්තිය තාපය බවට පරිවර්තනය වේ. ක්‍රියාවලිය ඉතා පහසුයි... වැඩ කිරීමෙන් අනන්ත තාපය පවා නිපදවිය හැකිය. නමුත් ප්‍රතිලෝම ක්‍රියාවලිය, එනම් වැඩ කිරීමට තාපය භාවිතා කිරීම දුෂ්කර ය.

වැඩ කිරීම සඳහා තාපය උපයෝගී කර ගැනීම සඳහා භාවිතා කරන උපකරණයක් 1700 දී පමණක් සොයා ගන්නා ලදී. අදාළ උපාංගය වූයේ වාෂ්ප එන්ජිමයි. ගල් අඟුරු පතල්වලින් ජලය පොම්ප කිරීම සඳහා වාෂ්ප එන්ජින් මුලින්ම භාවිතා කරන ලදී. තාප ගති විද්‍යාවේ පළමු නියමය තවමත් සකස් කර නොතිබූ බැවින් තාපය ඇත්ත වශයෙන්ම මාරු කරනු ලබන ශක්තියක් බව විද්‍යාඥයින් දැන ගැනීමට පෙර වාෂ්ප එන්ජින් මුලින්ම භාවිතා කළ බව සැලකිල්ලට ගැනීම වැදගත්ය.

එකල වාෂ්ප එන්ජින් භාවිතය, වාෂ්ප මගින් දේවල් චලනය කළ හැකි බව පෙන්වන එදිනෙදා අත්දැකීම් මත පදනම් වූවක් විය හැකිය. වාෂ්ප එන්ජින් තාප එන්ජින් ලෙස සැලකේ (තාප එන්ජිමක් = තාපය යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කිරීමේ උපකරණයකි). අද වන විට, වාෂ්ප එන්ජින් විදුලි ශක්තිය ජනනය කිරීමට භාවිතා කරයි. නවීන තාප එන්ජින් යනු අභ්‍යන්තර දහන එන්ජින් (මෝටර් රථ එන්ජින්, යතුරුපැදි එන්ජින් ආදිය) වේ.

තාප එන්ජිමක් භාවිතා කිරීම පිටුපස ඇති මූලික අදහස නම්, තාපය යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කළ හැක්කේ ඉහළ උෂ්ණත්ව කලාපයක සිට අඩු උෂ්ණත්ව කලාපයකට ගලා යාමට ඉඩ දුන්නොත් පමණක් බවයි. මෙම ක්‍රියාවලිය අතරතුර, තාපයෙන් කොටසක් යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ (සමහරක් තාපය වැඩ කිරීමට භාවිතා කරයි), තාපයෙන් කොටසක් අඩු උෂ්ණත්ව කලාපයට ප්‍රතික්ෂේප කරනු ලැබේ. තාප එන්ජිමක ශක්ති පරිවර්තනය සහ ශක්ති හුවමාරු ක්‍රියාවලිය රූප සටහනේ දක්වා ඇත.

ඉහළ උෂ්ණත්වය (T_H) සහ අඩු උෂ්ණත්වය (T_L) එන්ජිමේ ක්‍රියාකාරී උෂ්ණත්වය ලෙසද හැඳින්වේ. ඉහළ උෂ්ණත්ව ස්ථානයක සිට ගලා යන තාපයට Q සංකේතය ලබා දී ඇත._H, අඩු උෂ්ණත්ව ස්ථානයකට මුදා හරින තාපයට Q සංකේතය ලබා දී ඇත._L. ඉහළ උෂ්ණත්ව ස්ථානයක සිට අඩු උෂ්ණත්ව ස්ථානයකට ගලා යන විට, යම් Q_H යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ (වැඩ කිරීමට භාවිතා කරයි), එයින් කොටසක් Q ලෙස මුදා හරිනු ලැබේ._L. ඇත්තටම අපි ඇත්තටම බලාපොරොත්තු වෙනවා සියලුම Q_H W බවට පරිවර්තනය කළ හැකි නමුත්, එදිනෙදා අත්දැකීම්වලින් පෙනී යන්නේ මෙය කළ නොහැකි බවයි. සෑම විටම යම් තාප අලාභයක් සිදු වේ. මේ අනුව, බලශක්ති සංරක්ෂණය මත පදනම්ව, Q_H = ඩබ්ලිව් + ප්‍ර_L.

දැන් අපි තාපය යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කිරීමට බහුලව භාවිතා වන තාප එන්ජිමක් සමාලෝචනය කරමු. අපි සලකා බලන්නේ අඛණ්ඩ වැඩ කරන තාප එන්ජින් පමණක් බව සැලකිල්ලට ගැනීම වැදගත්ය. වැඩ අඛණ්ඩව සිදු කිරීමට නම්, තාපය ඉහළ උෂ්ණත්ව කලාපයක සිට අඩු උෂ්ණත්ව කලාපයකට අඛණ්ඩව ගලා යා යුතුය. තාපය එක් වරක් පමණක් ගලා යන්නේ නම්, තාප එන්ජිම මඟින් සිදු කරන කාර්යය ද එක් වරක් පමණක් සිදු කෙරේ (නිපදවන යාන්ත්‍රික ශක්තිය ඉතා කුඩා වනු ඇත). එබැවින්, තාප එන්ජිම ප්‍රශස්ත ලෙස භාවිතා කළ නොහැක. තාප එන්ජිමක් අඛණ්ඩව වැඩ කරන්නේ නම් එය ප්‍රශස්ත ලෙස භාවිතා කළ හැකිය. වෙනත් වචන වලින් කිවහොත්, තාප එන්ජිම මඟින් නිපදවන යාන්ත්‍රික ශක්තිය යමක් චලනය කිරීමට භාවිතා කිරීමට ප්‍රමාණවත් වේ.

වාෂ්ප එන්ජිම

වාෂ්ප එන්ජින් තාප හුවමාරු මාධ්‍යයක් ලෙස ජල වාෂ්ප භාවිතා කරයි. වාෂ්ප එන්ජිමක ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍යය ලෙස වාෂ්ප හැඳින්වේ. වාෂ්ප එන්ජින් වර්ග දෙකක් තිබේ: ප්‍රතිචක්‍රීකරණ වාෂ්ප එන්ජින් සහ ටර්බයින් වාෂ්ප එන්ජින් (වාෂ්ප ටර්බයින). ඒවායේ සැලසුම් තරමක් වෙනස් වේ, නමුත් වර්ග දෙකම සමානකම් බෙදා ගනී: ඒවා තෙල්, ගෑස්, ගල් අඟුරු හෝ න්‍යෂ්ටික ශක්තිය දහනය කිරීමෙන් රත් කරන ලද වාෂ්ප භාවිතා කරයි.

පරස්පර ආකාරයේ වාෂ්ප එන්ජිම

භාජනයක ජලය සාමාන්‍යයෙන් ඉහළ පීඩනයකින් රත් කරනු ලැබේ. එය ඉහළ පීඩනයකින් රත් කරන බැවින්, තාපාංක ක්‍රියාවලිය ඉහළ උෂ්ණත්වයකදී සිදු වේ. උෂ්ණත්වය පීඩනයට සෘජුවම සමානුපාතික වේ. වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වය වැඩි වන තරමට වාෂ්ප පීඩනය වැඩි වේ. මෙම ඉහළ උෂ්ණත්ව හෝ අධි පීඩන වාෂ්ප ආදාන කපාටය හරහා ගමන් කර පිස්ටනයට එරෙහිව ප්‍රසාරණය වේ. එය ප්‍රසාරණය වන විට, වාෂ්ප පිස්ටනය තල්ලු කරයි, එමඟින් එය දකුණට ගමන් කරයි.

වාෂ්පයේ ඇති තාපයෙන් කොටසක් චාලක ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ. පිස්ටනය දකුණට ගමන් කරන විට, පිස්ටනයට සම්බන්ධ රෝදය භ්‍රමණය වේ (1). භ්‍රමණයෙන් අඩකට පසු, රෝදය පිස්ටනය එහි මුල් ස්ථානයට තල්ලු කරයි (2). පිස්ටනය වමට ගමන් කරන විට, ආදාන කපාටය ස්වයංක්‍රීයව වැසෙන අතර, පිටාර කපාටය ස්වයංක්‍රීයව විවෘත වේ. වාෂ්ප කන්ඩෙන්සර් මගින් ඝනීභවනය වී පිනි බවට හැරේ. ඊළඟට, කන්ඩෙන්සරයේ ඇති ජලය නැවත තම්බා ගැනීම සඳහා කන්ටේනරයට පොම්ප කරනු ලැබේ. සහ එසේ ය... ක්‍රියාවලිය නැවත නැවතත් සිදුවන නිසා, පිස්ටනය දකුණට සහ වමට අඛණ්ඩව ගමන් කරයි. පිස්ටනය දකුණට සහ වමට අඛණ්ඩව ගමන් කරන නිසා, රෝදය ද අඛණ්ඩව භ්‍රමණය වේ. රෝදයේ භ්‍රමණය සාමාන්‍යයෙන් යමක් චලනය කිරීමට භාවිතා කරයි.

වාෂ්ප ටර්බයිනය

වාෂ්ප ටර්බයිනයක ක්‍රියාකාරී මූලධර්මය මූලික වශයෙන් ප්‍රතිවිකුණුම් වාෂ්ප එන්ජිමක ක්‍රියාකාරිත්වයට සමාන වේ. වෙනස වන්නේ ප්‍රතිවිකුණුම් වාෂ්ප එන්ජිමක් පිස්ටනයක් භාවිතා කරන අතර වාෂ්ප ටර්බයිනයක් ටර්බයිනයක් භාවිතා කිරීමයි. ප්‍රතිවිකුණුම් වාෂ්ප එන්ජිමක, තාපය මුලින්ම පිස්ටනයේ පරිවර්තන චාලක ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ. ඉන්පසු පිස්ටනයේ පරිවර්තන චාලක ශක්තිය භ්‍රමණ රෝදයේ භ්‍රමණ චාලක ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ. වාෂ්ප ටර්බයිනයක, තාපය කෙලින්ම ටර්බයිනයේ භ්‍රමණ චාලක ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ. පීඩන වෙනසක් හේතුවෙන් ටර්බයිනය භ්‍රමණය විය හැකිය. තලයට ඉහළින් ඇති වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වය තලයට පහළින් ඇති වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වයට වඩා බෙහෙවින් වැඩි ය. තලය ටර්බයිනයේ මධ්‍යයේ පිහිටා ඇති තුනී තහඩුවකි. උෂ්ණත්වය පීඩනයට සෘජුවම සමානුපාතික වේ. තලයට ඉහළින් ඇති වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වය තලයට පහළින් ඇති වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වයට වඩා වැඩි බැවින්, තලයට ඉහළින් ඇති වාෂ්ප පීඩනය තලයට පහළින් ඇති පීඩනයට වඩා වැඩි ය. මෙම පීඩන වෙනස වාෂ්ප තලය පහළට තල්ලු කිරීමට හේතු වන අතර එමඟින් ටර්බයිනය භ්‍රමණය වීමට හේතු වේ. ටර්බයිනය භ්‍රමණය වන දිශාව රූපයේ දැක්වේ.

වාෂ්ප එන්ජිමක ක්‍රියාකාරී මූලධර්මය ඉහත පැහැදිලි කළ ශක්ති හුවමාරු රූප සටහන මත පදනම් වී ඇති බව සැලකිල්ලට ගැනීම වැදගත්ය. මෙම අවස්ථාවේ දී, ඉහළ උෂ්ණත්වයක් ඇති වස්තුවකින් හෝ ස්ථානයක සිට අඩු උෂ්ණත්වයක් ඇති වස්තුවකට හෝ ස්ථානයකට තාපය ගලා යාමට ඉඩ දීමෙන් යාන්ත්‍රික ශක්තිය ජනනය කළ හැකිය. එබැවින්, වාෂ්ප එන්ජිමක උෂ්ණත්ව වෙනසක් අත්‍යවශ්‍ය වේ.

ඔබ ප්‍රතිචක්‍රීකරණ වාෂ්ප එන්ජිමක් ක්‍රියා කරන ආකාරය කෙරෙහි අවධානය යොමු කරන්නේ නම්, උෂ්ණත්ව වෙනසක් නොමැති වුවද (කන්ඩෙන්සර් හෝ පොම්පයක් නොමැත) පිස්ටනය තවමත් වමට සහ දකුණට ගමන් කළ හැකි බව ඔබට පෙනෙනු ඇත. ඉහළ උෂ්ණත්ව හෝ අධි පීඩන වාෂ්ප ප්‍රසාරණය හේතුවෙන් පිස්ටනය දකුණට ගමන් කළ හැකිය. මෙම අවස්ථාවේ දී, වාෂ්පයේ ඇති තාපයෙන් කොටසක් පිස්ටනයේ පරිවර්තන චාලක ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ. පිස්ටනයේ මෙම පරිවර්තන චාලක ශක්තිය පසුව භ්‍රමණය වන රෝදයේ භ්‍රමණ චාලක ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ. භ්‍රමණයෙන් අඩක් සම්පූර්ණ කිරීමෙන් පසු, රෝදය පිස්ටනය වමට තල්ලු කරයි. රෝදය පිස්ටනය නැවත වමට තල්ලු කරන විට, රෝදයේ භ්‍රමණ චාලක ශක්තිය නැවතත් පිස්ටනයේ පරිවර්තන චාලක ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ. පිස්ටනය වමට ගමන් කරන විට, එය සිලින්ඩරයේ වාෂ්ප පිටතට තල්ලු කරයි. ඒ සමඟම, පිටාර කපාටය විවෘත වේ.

මේ අනුව, පිස්ටනය මඟින් තල්ලු කරන ලද වාෂ්පය එහි මිතුරා පිටාර කපාටය යටට තල්ලු කරනු ඇත. දැන්, පිටාර කපාටයට පහළින් ඇති වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වය පිස්ටනය මඟින් තල්ලු කරන ලද වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වයට සමාන නම්, පිස්ටනයේ සියලුම පරිවර්තන චාලක ශක්තිය නැවත වාෂ්පයේ අභ්‍යන්තර ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ. අභ්‍යන්තර ශක්තිය උෂ්ණත්වයට සෘජුවම සමානුපාතික වේ. වාෂ්පයේ අභ්‍යන්තර ශක්තිය වැඩි වුවහොත්, වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වය වැඩි වේ. උෂ්ණත්වය පීඩනයට සෘජුවම සමානුපාතික වේ. වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වය වැඩි වුවහොත්, වාෂ්පයේ පීඩනය ද වැඩි වේ. මේ අනුව, පිටාර කපාටය හරහා මුදා හරින ලද වාෂ්පයේ පීඩනය ආදාන කපාටය හරහා ඇතුළු වන වාෂ්පයේ පීඩනයට සමාන වේ. පිස්ටනය දකුණට සහ වමට අඛණ්ඩව චලනය වන නමුත් භාවිතා කළ හැකි සම්පූර්ණ චාලක ශක්තියක් නොමැත (සම්පූර්ණ කාර්යයක් නිපදවන්නේ නැත). එබැවින් ප්‍රසාරණ ක්‍රියාවලියේදී පිස්ටනයට ලැබෙන චාලක ශක්තිය (පිස්ටනය දකුණට ගමන් කරයි) සම්පීඩන ක්‍රියාවලියේදී වාෂ්පයට ආපසු ලබා දෙනු ඇත (පිස්ටනය වමට ගමන් කරයි).

වාෂ්ප එන්ජිමක උෂ්ණත්ව වෙනසක් තවමත් අවශ්‍ය බව නිගමනය කර ඇත. වාෂ්ප එන්ජිමක මෙම උෂ්ණත්ව වෙනස කන්ඩෙන්සරයක් භාවිතා කිරීමෙන් ලබා ගත හැකිය. පිටාර කපාටයට පහළින් ඇති වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය සිලින්ඩරයේ ඇති වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වය සහ පීඩනයට වඩා බෙහෙවින් අඩු වූ විට, පිස්ටනය වමට ආපසු ගමන් කරන විට, පිස්ටනය වාෂ්පය මත ඇති කරන පීඩනයේ ප්‍රමාණය, පිස්ටනය දකුණට ගමන් කරන විට පිස්ටනය මත ඇති කරන වාෂ්පය මත ඇති කරන පීඩනයේ ප්‍රමාණයට වඩා බෙහෙවින් කුඩා වේ. වෙනත් වචන වලින් කිවහොත්, වාෂ්පය මත පිස්ටනය කරන වැඩ ප්‍රමාණය, පිස්ටනය මත වාෂ්පය කරන වැඩ ප්‍රමාණයට වඩා බෙහෙවින් කුඩා වේ. එබැවින් පිස්ටනයේ චාලක ශක්තියෙන් කුඩා කොටසක් පමණක් වාෂ්පයට ආපසු ලබා දෙනු ලැබේ. මේ අනුව, සම්පූර්ණ චාලක ශක්තිය හෝ නිපදවන සම්පූර්ණ කාර්යයක් ලැබෙනු ඇත. මෙම මුළු චාලක ශක්තිය යමක් චලනය කිරීමට භාවිතා කරයි.

අභ්‍යන්තර දහන එන්ජිම

යතුරුපැදි සහ මෝටර් රථ එන්ජින් අභ්‍යන්තර දහන එන්ජින් සඳහා උදාහරණ වේ. දහන ක්‍රියාවලිය සංවෘත සිලින්ඩරයක් තුළ සිදුවන නිසා ඒවා අභ්‍යන්තර දහන එන්ජින් ලෙස හැඳින්වේ. අභ්‍යන්තර දහන එන්ජින් යනු තාප ගති විද්‍යාවේ පළමු නියමයේ පැහැදිලි කර ඇති ස්ථිරතාපී සම්පීඩනය සහ ප්‍රසාරණය පිළිබඳ සංකල්පය ඉංජිනේරු විද්‍යාවේ ප්‍රතිඵලයකි.

අපි ඉන්ධන ලෙස පෙට්‍රල් සහ ඩීසල් භාවිතා කරන අභ්‍යන්තර දහන එන්ජින් පමණක් සලකා බලමු. පෙට්‍රල් සහ ඩීසල් ඛනිජ තෙල් නිෂ්පාදන වන අතර එම නිසා රසායනික විභව ශක්තිය ඇත. පෙට්‍රල් සහ ඩීසල් වල රසායනික විභව ශක්තිය මුලින්ම දහන ක්‍රියාවලිය හරහා තාපය බවට පරිවර්තනය වේ. දහනය හරහා නිපදවන තාපය පසුව යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වේ. මෙම යාන්ත්‍රික ශක්තිය යතුරුපැදියක් හෝ මෝටර් රථයක් චලනය කිරීමට ඉඩ සලසයි. පෙට්‍රල් එන්ජිමක චක්‍රය ඔටෝ චක්‍රය ලෙස හඳුන්වන අතර ඩීසල් එන්ජිමක චක්‍රය ඩීසල් චක්‍රය ලෙස හැඳින්වේ. චක්‍රයක් යනු ආපසු හැරවිය හැකි තාප ගතික ක්‍රියාවලියකි. පළමුව ඔටෝ චක්‍රය ගැන සාකච්ඡා කරමු.

ඔටෝ චක්‍රය

මෙය සිව්-පහර අභ්‍යන්තර දහන එන්ජිමක රූප සටහනකි. පිස්ටනය පහළට ගමන් කරන විට වාතය සහ පෙට්‍රල් වාෂ්ප මිශ්‍රණයක් කාබ්යුරේටරයේ සිට සිලින්ඩරයට ගලා යයි (ඉන්ටේක් ස්ට්‍රෝක්). ඉන්පසු සිලින්ඩරයේ වාතය සහ පෙට්‍රල් වාෂ්ප මිශ්‍රණය පිස්ටනය ඉහළට ගමන් කරන විට ස්ථිරතාපීව සම්පීඩනය වේ (සම්පීඩන පහර). එය ස්ථිරතාපීව සම්පීඩනය කර ඇති නිසා, මිශ්‍රණයේ උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය වැඩි වේ. ඒ සමඟම, ස්පාර්ක් ප්ලග් එක මිශ්‍රණය දල්වා එය දල්වයි. එය දැවෙන විට, වායුවේ උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය වැඩි වේ. ඉහළ උෂ්ණත්ව, අධි පීඩන වායුව පිස්ටනයට එරෙහිව ප්‍රසාරණය වී එය පහළට තල්ලු කරයි (ප්‍රසාරණ පහර). පසුව දහනය වූ වායුව පිටාර කපාටය හරහා මුදා හරින අතර පිටාර නළය (පිටාර පහර) දෙසට යොමු කෙරේ. අභ්‍යන්තර කපාටය නැවත විවෘත වන අතර පහර හතර නැවත සිදු කෙරේ.

ස්ථිරතාපී සම්පීඩන පහරෙහි අරමුණ වායු-ගෑසොලින් වාෂ්ප මිශ්‍රණයේ උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය වැඩි කිරීම බව සැලකිල්ලට ගැනීම වැදගත්ය. ඉහළ පීඩනයකදී දහනය කිරීමෙන් ඉතා ඉහළ උෂ්ණත්ව සහ පීඩන ඇති වේ. එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස, ප්‍රසාරණ ක්‍රියාවලියේදී ජනනය වන තෙරපුම (F = PA) ඉතා විශාල වේ. මෙහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස යතුරුපැදියක් හෝ මෝටර් රථ එන්ජිමක් වඩාත් බලවත් වේ. සම්පීඩනයකින් තොරව වුවද, ස්පාර්ක් ප්ලග් එක ගිනි පුපුරක් නිපදවන විට වායු-ගෑසොලින් වාෂ්ප මිශ්‍රණය දැල්විය හැකිය. කෙසේ වෙතත්, දහනය කරන ලද වායුවේ උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය ඉතා ඉහළ නොවන බැවින් එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස තෙරපුම ද කුඩා වේ. එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස එන්ජිම අඩු බලවත් වේ.

සිව්-පහර අභ්‍යන්තර දහන එන්ජිමක ශක්ති පරිවර්තනය සහ ශක්ති හුවමාරු ක්‍රියාවලිය පහත පරිදි පැහැදිලි කළ හැකිය: දහනය අතරතුර, පෙට්‍රල් වල රසායනික විභව ශක්තිය සහ වාතයේ ඇති ශක්තිය තාපය බවට පරිවර්තනය වේ. තාපයෙන් කොටසක් පිස්ටන් දණ්ඩේ සහ දොඹකරයේ යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වන අතර, කොටසක් පිටාර නළය හරහා මුදා හරිනු ලැබේ. පිස්ටන් දණ්ඩේ සහ දොඹකරයේ ඇති යාන්ත්‍රික ශක්තියෙන් වැඩි ප්‍රමාණයක් වාහනය තුළ (වාහනය චලනය කිරීමේදී) යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වන අතර, කුඩා කොටසක් තාපය බවට පරිවර්තනය වේ. තාපය ඝර්ෂණය මගින් ජනනය වේ.

ඔටෝ චක්‍රයේ ස්ථිරතාපී ප්‍රසාරණය සහ සම්පීඩන ක්‍රියාවලිය පහත රූප සටහනෙන් නිරූපණය කළ හැකිය. මෙම රූප සටහන පෙට්‍රල් බලයෙන් ක්‍රියාත්මක වන අභ්‍යන්තර දහන එන්ජිමක සිදුවන තාප ගතික ක්‍රියාවලීන්ගේ පරමාදර්ශී ආකෘතියක් පෙන්වයි.

වාතය සහ පෙට්‍රල් වාෂ්ප මිශ්‍රණයක් සිලින්ඩරයට ඇතුළු වේ (a). ඉන්පසු වාතය සහ පෙට්‍රල් වාෂ්ප මිශ්‍රණය ස්ථිරතාපීව සම්පීඩනය කරනු ලැබේ (a‐b). සිලින්ඩර පරිමාව අඩු වන බව සලකන්න. වාතය සහ පෙට්‍රල් වාෂ්ප මිශ්‍රණය නියත පරිමාවකින් රත් කරනු ලැබේ - මිශ්‍රණය දහනය වේ (b‐c). දහනය කරන ලද වායුව ස්ථිරතාපී ප්‍රසාරණයකට භාජනය වේ (c‐d). නියත පරිමාවකින් සිසිලනය - දහනය කරන ලද වායුව පිටාර නලයට මුදා හරින අතර වාතය + පෙට්‍රල් වාෂ්ප නව මිශ්‍රණයක් සිලින්ඩරයට ඇතුල් වේ (d‐a).

වාතය සහ පෙට්‍රල් වාෂ්ප මිශ්‍රණයක් සිලින්ඩරයට ඇතුළු වේ (a). ඉන්පසු වාතය සහ පෙට්‍රල් වාෂ්ප මිශ්‍රණය ස්ථිරතාපීව සම්පීඩනය කරනු ලැබේ (a‐b). සිලින්ඩර පරිමාව අඩු වන බව සලකන්න. වාතය සහ පෙට්‍රල් වාෂ්ප මිශ්‍රණය නියත පරිමාවකින් රත් කරනු ලැබේ - මිශ්‍රණය දහනය වේ (b‐c). දහනය කරන ලද වායුව ස්ථිරතාපී ප්‍රසාරණයකට භාජනය වේ (c‐d). නියත පරිමාවකින් සිසිලනය - දහනය කරන ලද වායුව පිටාර නලයට මුදා හරින අතර වාතය + පෙට්‍රල් වාෂ්ප නව මිශ්‍රණයක් සිලින්ඩරයට ඇතුල් වේ (d‐a).

ඩීසල් චක්‍රය

ඩීසල් එන්ජිමක ක්‍රියාකාරී මූලධර්මය පෙට්‍රල් එන්ජිමකට සමානයි. වෙනස පවතින්නේ ආරම්භක ස්ථිරතාපී සම්පීඩන පියවරේ ය (අධිතාපී සම්පීඩනය = සම්පීඩනය ඉතා ඉක්මනින් සිදු කරනු ලබන අතර එමඟින් තාපය පද්ධතියට හෝ පිටතට ගලා යාමට කාලයක් නොමැත. මෙම අවස්ථාවේ දී පද්ධතිය සිලින්ඩරයකි). පෙට්‍රල් එන්ජිමක සම්පීඩනය කරනු ලබන්නේ වාතය සහ ගැසොලින් වාෂ්ප මිශ්‍රණයක් වන අතර, ඩීසල් එන්ජිමක වාතය පමණක් සම්පීඩනය වේ. ස්ථිරතාපී සම්පීඩනය වාතයේ උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය වැඩි කිරීමට හේතු වේ. ඊළඟට, ඉන්ජෙක්ටරය, නොහොත් ඉන්ජෙක්ටරය, ඩීසල් ඉසිනවා. වාතයේ උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය දැනටමත් ඉතා ඉහළ බැවින්, ඩීසල් සිලින්ඩරයට ඉසින විට, ඩීසල් වහාම දැල්වෙයි. ස්පාර්ක් ප්ලග් එකක් අවශ්‍ය නොවේ. පහත රූප සටහනේ දක්වා ඇති පීඩන අගය සටහන් කරන්න. ඔටෝ චක්‍ර රූප සටහනේ දක්වා ඇති පීඩන අගය සමඟ එය සසඳන්න .

මෙම රූප සටහන කදිම ඩීසල් චක්‍රයක් පෙන්වයි. මුලදී, වාතය ස්ථිරතාපී ලෙස සම්පීඩනය කර (a-b), පසුව නියත පීඩනයකින් රත් කරනු ලැබේ - ඉන්ජෙක්ටරය ඩීසල් ඉසින අතර දහනය සිදු වේ (b-c), දහනය වූ වායුව ස්ථිරතාපී ප්‍රසාරණයට භාජනය වේ (c-d), නියත පරිමාවකින් සිසිල් වේ - දහනය වූ වායුව පිටාර නළය හරහා පිට කරනු ලබන අතර නැවුම් වාතය සිලින්ඩරයට ඇතුළු වේ (d-a).

ඉහත පැහැදිලි කිරීම මත පදනම්ව, සෑම තාප එන්ජිමකටම මූලික වශයෙන් නිශ්චිත ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍යයක් ඇති බව නිගමනය කළ හැකිය. වාෂ්ප එන්ජිමක් සඳහා ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍යය ජලය වන අතර, පෙට්‍රල් එන්ජිමක් සඳහා ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍යය වාතය සහ පෙට්‍රල් වාෂ්ප වන අතර, ඩීසල් එන්ජිමක් සඳහා ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍යය වාතය සහ ඩීසල් වේ. වැඩ කරන ද්‍රව්‍යය සාමාන්‍යයෙන් ඉහළ උෂ්ණත්වයකදී තාපය අවශෝෂණය කරයි (Q _H ), වැඩ කරයි (W), පසුව අඩු උෂ්ණත්වයකදී ඉතිරි තාපය මුදා හරියි (Q _L ). ශක්තිය සංරක්ෂණය කර ඇති නිසා, Q _H = W + Q _L වේ.

තාප එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව

තාප එන්ජිමක කාර්යක්ෂමතාව (e) යනු එන්ජිම මඟින් සිදු කරන කාර්යය (W) සහ ඉහළ උෂ්ණත්වයකදී (Q _H ) තාප ආදානය අතර අනුපාතයයි. ගණිතමය වශයෙන්, එය මෙසේ ලිවිය හැකිය:

W යනු අපට ලැබෙන ලාභය වන අතර QH _යනු ඉන්ධන මිලදී ගැනීමට සහ දහනය කිරීමට අපට දරන පිරිවැයයි. හැකි උපරිම ලාභය සහ හැකි කුඩාම වියදම ලබා ගැනීමට සැමවිටම කැමති මිනිසුන් ලෙස, අපට ලැබෙන ලාභය (W) අප දරන පිරිවැයට (QH) අනුරූප වේ යැයි අපි සැබවින්ම බලාපොරොත්තු වෙමු. එය කළ හැකිද?

ශක්ති සංරක්ෂණය මත පදනම්ව, ආදාන තාපය (Q _H ) සිදු කරන ලද කාර්යයට (W) + මුදා හරින ලද තාපයට (Q _L ) සමාන විය යුතුය. ගණිතමය වශයෙන්:

තාප එන්ජිමක කාර්යක්ෂමතාව ප්‍රතිශතයක් ලෙස ප්‍රකාශ කිරීමට, කාර්යක්ෂමතා සමීකරණය 100% න් ගුණ කරන්න. ඉහත කාර්යක්ෂමතා සමීකරණය මත පදනම්ව, තාප එන්ජිමක් මගින් ප්‍රතික්ෂේප කරන ලද තාපය (Q _{L ) වැඩි වන තරමට එහි කාර්යක්ෂමතාව අඩු වේ. ප්‍රතික්ෂේප කරන ලද තාපය (Q L} ) හැකි තරම් අඩුවෙන් තිබීමට අපි බොහෝ සෙයින් කැමතියි . කෙසේ වෙතත්, තාප ආදානය (Q _H ) සාමාන්‍යයෙන් ලබා ගන්නේ තෙල්, ගල් අඟුරු, ගෑස් ආදිය (අපි ගෙවන ඉන්ධන) දහනය කිරීමෙනි.

එමනිසා, සෑම තාප එන්ජිමක්ම හැකි තරම් කාර්යක්ෂම වීමට සැලසුම් කර ඇත. අවම වියදමකින් උපරිම ප්‍රතිලාභ ලබා ගැනීමට අපි අපේක්ෂා කළත්, යථාර්ථය නම් වාෂ්ප එන්ජින් සාමාන්‍යයෙන් 40% ක් පමණ කාර්යක්ෂම වන අතර අභ්‍යන්තර දහන එන්ජින් 50% ක් පමණ වේ. මෙයින් අදහස් කරන්නේ ඉන්ධන දහනය කිරීමෙන් නිපදවන තාපයෙන් අඩක් අපතේ යන බවයි. යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය වන්නේ අඩක් පමණි.

උදාහරණ ප්‍රශ්නය 1:

තාප එන්ජිමක් ජූල් 3000 ක තාපයක් (Q _H ) අවශෝෂණය කර, කාර්යයක් (W ) සිදු කර, ජූල් 2500 ක තාපයක් (Q _L ) නිකුත් කරයි. තාප එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව කොපමණද?

සාකච්ඡා

උදාහරණ ප්‍රශ්නය 2:

තාප එන්ජිමක් ජූල් 3000 ක තාපයක් (Q _H ) අවශෝෂණය කර, ක්‍රියා කර (W ) ජූල් 2000 ක තාපයක් (Q _L ) නිකුත් කරයි. තාප එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව කොපමණද?

සාකච්ඡා

උදාහරණ ප්‍රශ්නය 3:

තාප එන්ජිමක් ජූල් 3000 ක තාපයක් (Q _H ) අවශෝෂණය කර, ක්‍රියා කර (W ) ජූල් 1500 ක තාපයක් (Q _L ) නිකුත් කරයි. තාප එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව කොපමණද?

සාකච්ඡා