තාප එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කරන්නේ කෙසේදැයි සොයා බැලීම සඳහා , සාඩි කාර්නොට් (1796-1832) නම් ප්රංශ විද්යාඥයෙක් 1824 දී පරමාදර්ශී න්යායික කැලරි යන්ත්රයක් පරීක්ෂා කළේය. ඒ වන විට තාප ගති විද්යාවේ පළමු නියමය හෝ තාප ගති විද්යාවේ දෙවන නියමය සකස් කර නොතිබුණි. තාපය ශක්තිය බව විද්යාඥයින් තවමත් නොදන්නා නිසා පළමු නියමය සකස් කර නොමැත. ජූල් සහ ඔහුගේ සගයන් 1830 ගණන්වල අත්හදා බැලීම් කිරීමෙන් පසුව, විද්යාඥයින් තාපය යනු උෂ්ණත්ව වෙනස්කම් නිසා චලනය වන ශක්තිය බව සොයා ගත්හ. එබැවින්, තාප ගති විද්යාවේ පළමු නියමය 1830 න් පසුව සකස් කරන ලදී. සාඩි කාර්නොට් 1824 දී න්යායික පරමාදර්ශී කැලරි එන්ජිම පිළිබඳව පර්යේෂණ කරමින් සිටියේය. ඔහුගේ පර්යේෂණය ඇත්ත වශයෙන්ම වාෂ්ප එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කිරීම සඳහා විය. එකල බොහෝ වාෂ්ප එන්ජින් අඩු කාර්යක්ෂම විය.
සාඩි කාර්නොට්ගේ චින්තනයේ පරමාදර්ශී තාප එන්ජිමේ චක්රය කාර්නොට් චක්රය ලෙස නම් කර ඇත. කාර්නොට් චක්රය ඉගෙන ගැනීමට පෙර, අපි ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්රියාවලිය නැවත තේරුම් ගත්තෙමු. ශක්ති වෙනස් වීමේ සහ ශක්ති හුවමාරුවේ සෑම ක්රියාවලියක්ම ආපසු හැරවිය නොහැකි ලෙස සිදු වේ. උදාහරණයක් ලෙස, අපි දෑත් උණුසුම් වන පරිදි දෑත් අතුල්ලමු. තාපය ජනනය වන්නේ අප කරන කාර්යය හරහා ය. ක්රියාවලිය ආපසු හැරවිය නොහැක. තාපයට දෑත් අතුල්ලන්න බැහැ.
තාප එන්ජිමක අරමුණ වන්නේ මෙම ක්රියාවලියෙන් සමහරක් ආපසු හැරවීමයි, එහිදී තාපය උපරිම කාර්යක්ෂමතාවයෙන් වැඩ කිරීමට යොදා ගත හැකිය. තාප එන්ජිමට උපරිම කාර්යක්ෂමතාවයක් ලබා ගැනීමට නම්, අපි සියලු ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්රියාවලීන් වළක්වා ගත යුතුය. තාප හුවමාරුව ස්වභාවිකවම ආපසු හැරවිය නොහැකි බැවින් තාපයේ චලනය සිදු නොවිය යුතුය.
එන්ජිම ඉහළ උෂ්ණත්වයකදී (T H) තාපය (Q H ) ලබා ගන්නා විට , යන්ත්රයේ ක්රියාකාරී තරලය ද T H උෂ්ණත්වයේ තිබිය යුතුය. ඒ හා සමානව, එන්ජිම අඩු උෂ්ණත්වයකදී (T L ) Q L තාපය පිට කරන්නේ නම් , යන්ත්රයේ ක්රියාකාරී තරලය ද T L උෂ්ණත්වයේ තිබිය යුතුය. මේ අනුව, තාප හුවමාරුව සම්බන්ධ ඕනෑම ක්රියාවලියක් සමෝෂ්ණ (එකම උෂ්ණත්වය) විය යුතුය. ප්රතිවිරුද්ධව, යන්ත්රයේ වැඩ කොටසෙහි උෂ්ණත්වය T H සහ T L අතර නම්, T H උෂ්ණත්වය ඇති ස්ථානය (තාප සැපයුම්කරු) සහ T L උෂ්ණත්වය (විසර්ජනය) ඇති ප්රදේශය අතර තාප හුවමාරුවක් සිදු නොවේ . තාපය චලනය නොවන නිසා, ක්රියාවලිය ස්ථිර තාපන ආකාරයෙන් සිදු කළ යුතුය.
කාර්නොට් චක්රය ආපසු හැරවිය හැකි සමෝෂ්ණ ක්රියාවලි දෙකකින් සහ ආපසු හැරවිය හැකි ස්ථිරතාපී ක්රියාවලි දෙකකින් සමන්විත වේ.
පැත්තේ ඇති රූපය වන්නේ පරිපූර්ණ වායුවක් සඳහා පිස්ටන් කාර්නොට් චක්රයයි. පළමුව, සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය (ab) අතරතුර තාපය අවශෝෂණය වේ. සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය අතරතුර, සිලින්ඩරයේ වායු උෂ්ණත්වය නියතව තබා ගනී.
ඊළඟට, වායුව ස්ථිරතාපීව ප්රසාරණය වන අතර එමඟින් උෂ්ණත්වය T H සිට T L (bc) දක්වා පහත වැටේ. T H = ඉහළ උෂ්ණත්වය, T L = අඩු උෂ්ණත්වය. ස්ථිරතාපී ප්රසාරණය අතරතුර, කිසිදු තාපයක් සිලින්ඩරයට ඇතුළු වන්නේ හෝ පිටවන්නේ නැත. ඉන්පසුව, වායුව සමෝෂ්ණීයව තද කරනු ලැබේ (cd). සමෝෂ්ණීයව තද කරන විට, වායු උෂ්ණත්වය නියතව තබා ගනී. ඉන්පසු වායුව ස්ථිරතාපීව තද කරනු ලැබේ (da). එය ස්ථිරතාපීව මර්දනය කර ඇති නිසා, වායු උෂ්ණත්වය වැඩි වේ. වායුවේ උෂ්ණත්වය වැඩි වන බැවින් වායු පීඩනය ද වැඩි වේ. කාර්නොට් චක්රයේ මුළු ක්රියාවලියම ආපසු හැරවිය හැකිය.
සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය සහ සමෝෂ්ණ පීඩන අතරතුර, වායු උෂ්ණත්වය නියතව තබා ගනී. ඉලක්කය වන්නේ උෂ්ණත්ව වෙනස්කම් වළක්වා ගැනීමයි. උෂ්ණත්ව වෙනසක් පැවතීම තාප හුවමාරුව (ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්රියාවලිය) ඇති කළ හැකිය. සමෝෂ්ණ ක්රියාවලිය සිදුවීමට නම් (වායු උෂ්ණත්වය සැමවිටම නියත වේ) වායුව ක්රමයෙන් ප්රසාරණය හෝ තද කළ යුතුය. යථාර්ථයේ දී, ප්රසාරණය හෝ වායු මර්දනය වඩාත් ඉක්මනින් සිදු වේ. මෙය කැළඹිලි (ගතික තරල ද්රව්ය මතක තබා ගන්න), ඝර්ෂණය, දුස්ස්රාවිතතාවය යනාදිය නිසා සිදු වේ. එහි ප්රතිඵලයක් ලෙස, පරිපූර්ණ සමෝෂ්ණ ක්රියාවලිය කිසිදා නොපවතිනු ඇත. ප්රතිවිරුද්ධව, ස්ථිරතාපී ප්රසාරණය සහ මර්දනය වේගවත් වේ.
ඉලක්කය වන්නේ තාපය සිලින්ඩරයට හෝ සිලින්ඩරයෙන් පිටතට ගලා යාම වැළැක්වීමයි. ඝර්ෂණය, දුස්ස්රාවිතතාවය ආදිය පැවතීම නිසා සම්පූර්ණ ස්ථිරතාපී ප්රසාරණය සහ අවධාරණය සිදු නොවේ. කාර්නොට් එන්ජිම න්යායාත්මක පමණක් බව මතක තබා ගන්න. කාර්නොට් යන්ත්රය අපගේ ජීවිතවල නොපවතී. න්යායාත්මකව පමණක් වුවද, කාර්නොට් එන්ජිමේ පැවැත්ම තාප ගති විද්යාවේ වාසිදායක වර්ධනයයි. අවම වශයෙන් ක්රියාවලිය අතරතුර සිදුවිය හැකි ඕනෑම ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්රියාවලීන් පිළිබඳව දැනගත හැකි අතර එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව උපරිම වන පරිදි ඒවා අවම කිරීමට උත්සාහ කළ හැකිය.
කාර්නොට් එන්ජිමේ සැලකිය යුතු ප්රතිඵලය වන්නේ පරිපූර්ණ එන්ජින් තාපය සඳහා වන අතර, ලැබුණු තාපය (Q H ) ඉහළ උෂ්ණත්වයට (T H ) සමානුපාතික වන අතර, දියවන ලද පිටාර වායුව (Q L ) අඩු උෂ්ණත්වයට (T L ) සමානුපාතික වේ. මේ අනුව, පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව:
මෙය පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමක කාර්යක්ෂමතාවයේ සමීකරණයයි.
ප්රශ්නය 1:
වාෂ්ප එන්ජිමක් 500 o C සහ 300 o C අතර ක්රියා කරයි. වාෂ්ප එන්ජිමේ පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව (කාර්නොට් කාර්යක්ෂමතාව) තීරණය කරන්න.
විසඳුමක්
උෂ්ණත්වය කෙල්වින් පරිමාණයට පරිවර්තනය කළ යුතුය.
ටී එච් (ඉහළ උෂ්ණත්වය) = 500 o සී = 500 + 273 = 773 කේ
ටී එල් (අඩු උෂ්ණත්වය) = 300 o සී = 300 + 273 = 573 කේ
500 °C සහ 300 °C අතර ක්රියා කරන පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමක කාර්යක්ෂමතාව 26% කි. අපගේ එදිනෙදා ජීවිතයේදී අප භාවිතා කරන යන්ත්ර 500 °C සහ 300 °C අතර ක්රියා කරන විට, යන්ත්රවලට ලබා ගත හැකි උපරිම කාර්යක්ෂමතාව පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව මෙන් 0.7 ගුණයක් (18.2%) පමණ වේ.
ප්රශ්නය 2:
තාප එන්ජිමක් 300 °C උෂ්ණත්වයකදී 600 J ලබා ගනී, ජූල් 100 ක් වැඩ කරයි (W) සහ 100 °C දී 500 J විසර්ජනය කරයි. මෙම යන්ත්රයේ සැබෑ කාර්යක්ෂමතාව සහ පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව (කාර්නොට් කාර්යක්ෂමතාව) තීරණය කරන්න.
උෂ්ණත්වය කෙල්වින් පරිමාණයට පරිවර්තනය කළ යුතුය.
ටී එච් (ඉහළ උෂ්ණත්වය) = 300 o සී — 300 + 273 = 573 කේ
T L (අඩු උෂ්ණත්වය) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
Q එච් = 600 ජේ
Q L = 500 J
එන්ජින් කාර්යක්ෂමතාව:
මෙම යන්ත්රයේ පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව:
300°C සහ 100°C අතර ක්රියා කරන පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමක කාර්යක්ෂමතාව 35% කි. යන්ත්රයට ලබා ගත හැකි උපරිම කාර්යක්ෂමතාව සාමාන්යයෙන් පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව මෙන් 0.7 ගුණයක් පමණ වේ = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J වැඩ කිරීමට භාවිතා කරන තාපය).
මෙම යන්ත්රයේ සැබෑ කාර්යක්ෂමතාව 17% කි (වැඩ කිරීමට භාවිතා කරන්නේ 100 J තාපය පමණි). තවමත් වැඩ කිරීමට භාවිතා කළ හැකි 147 J – 100 J = 47 J තාපය පමණ වේ.
ප්රශ්නය 3:
යන්ත්රයකට ජූල් කැලරි 1000 ක් ලැබෙන අතර සෑම චක්රයකම ජූල් 400 ක වැඩ ප්රමාණයක් නිපදවයි. මෙම යන්ත්රය 500 o C සහ 200 o C අතර ක්රියා කරයි. මෙම යන්ත්රයේ සැබෑ කාර්යක්ෂමතාව සහ පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව ගණනය කරන්න.
විසඳුමක්
ටී එච් (ඉහළ උෂ්ණත්වය) = 500 o සී — 500 + 273 = 773 කේ
T L (අඩු උෂ්ණත්වය) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
Q එච් = 1000 ජේ
Q L = 400 J
එන්ජින් කාර්යක්ෂමතාව:
මෙම යන්ත්රයේ පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව:
කාර්නොට් කාර්යක්ෂමතාව = 40%. සැබෑ එන්ජින් කාර්යක්ෂමතාව = 60%. මෙම යන්ත්රය නොපවතී. යන්ත්රයක කාර්යක්ෂමතාව කාර්නොට්ගේ කාර්යක්ෂමතාවයට වඩා වැඩි විය නොහැක.
ප්රශ්නය 4:
කාර්නොට් එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව 100% (1) දක්වා ළඟා වීමට නම්, අවශ්ය විසර්ජන උෂ්ණත්වය (T L ) කොපමණද?
විසඳුමක්
පරිපූර්ණ එන්ජින් කාර්යක්ෂමතාව 100% දක්වා ළඟා වීමට නම් (සියලුම තාපය වැඩ කිරීමට භාවිතා කළ හැකිය), එවිට අඩු උෂ්ණත්වය (TL ) කෙල්වින් 0 විය යුතුය.
කෙල්වින්ගේ උෂ්ණත්වය 0 ට ළඟා වීම කළ නොහැක්කකි. මෙම ප්රකාශය තාප ගති විද්යාවේ තුන්වන නියමයයි.
r සෑම කෙල්වින් 0 ක්ම කළ නොහැකි බැවින්, පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමකට 100% කාර්යක්ෂමතාවයක් නොතිබිය හැකිය. තාප එන්ජිම මගින් 100% කාර්යක්ෂමතාවයක් ලබා ගත නොහැකි බැවින්, වැඩ කිරීමට සියලු තාපය (Q H ) භාවිතා කළ නොහැකි බව නිගමනය කළ හැකිය. යම් අපතේ යන තාපයක් (Q L ) තිබිය යුතුය .
සියලු තාපය කාර්යය බවට පත් කළ හැකි තාප එන්ජිමක් (චක්රයක් ලෙස ක්රියා කරන) තිබිය නොහැක (තාප ගති විද්යාවේ දෙවන නියමය, කෙල්වින්-ප්ලාන්ක් ප්රකාශය).
මෙම ප්රස්ථාරයේ දැක්වෙන්නේ එක් අදියරකදී පමණක් සිදුවන සමෝෂ්ණ ක්රියාවලිය (සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය) ය. මෙම ක්රියාවලියේදී, සියලු තාපය (Q) කාර්යය (W) බවට පරිවර්තනය කළ හැකිය. සිදු කරන ලද වැඩ ප්රමාණය = සෙවන ලද ප්රදේශය.
තාප එන්ජිම අඛණ්ඩව ක්රියා කළ යුතුය (ක්රියාවලිය නැවත නැවතත් සිදුවිය යුතුය, එක් පියවරකින් පමණක් සිදුවිය නොහැක). උදාහරණයක් ලෙස, ප්රත්යාවර්තක ආකාරයේ වාෂ්ප එන්ජිමක්. ප්රත්යාවර්තක වාෂ්ප එන්ජිමක පිස්ටනය දකුණට සහ වමට අඛණ්ඩව ගමන් කළ යුතුය, එවිට රෝද භ්රමණය විය හැකිය (යමක් චලනය කිරීමට භාවිතා කළ හැකිය). පිස්ටනය දකුණට නතර කිරීමට චලනය වන විට රෝද භ්රමණය විය නොහැක (ක්රියාවලිය එක් අදියරකින් පමණක් සිදු වේ). ක්රියාවලිය නැවත නැවත සිදු වුවහොත්, සියලු තාපය කාර්යය බවට පත් කළ නොහැක (කෙල්වින්-ප්ලාන්ක් ප්රකාශය).
වම් පස ඇති ප්රස්ථාරයෙන් සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය (පහළ ඊතලය) සහ සමෝෂ්ණ සම්පීඩනය (ඉහළ ඊතලය) පෙන්වයි. ක්රියාවලිය අඛණ්ඩව සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය වේ (කිසිදු කාර්යයක් සිදු නොවේ). දකුණු පස ඇති ප්රස්ථාරය සමෝෂ්ණ ප්රසාරණ ක්රියාවලියකි (පහළ ඊතලය), සමස්ථානික පීඩන ක්රියාවලිය (වමට ඊතලය) සහ සමෝෂ්ණ ක්රියාවලිය (ඉහළ ඊතලය) වේ. මෙම ප්රස්ථාර දෙකෙන්, අඛණ්ඩ ක්රියාවලියක් සඳහා සෑම විටම අපතේ යන තාපයක් ඇති බව පෙනේ.
