කාර්නොට් එන්ජින් චක්රය පිළිබඳ ලිපිය
තාප එන්ජිමක කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කරන්නේ කෙසේදැයි සොයා බැලීම සඳහා, සාඩි කාර්නොට් (1796-1832) නම් ප්රංශ විද්යාඥයෙක් 1824 දී න්යායාත්මකව පරමාදර්ශී තාප එන්ජිමක් අධ්යයනය කළේය. ඒ වන විට තාප ගති විද්යාවේ පළමු නියමය හෝ තාප ගති විද්යාවේ දෙවන නියමය සකස් කර නොතිබුණි. තාපය ශක්තිය බව විද්යාඥයන් තවමත් දැන නොසිටි නිසා පළමු නියමය සකස් කර නොතිබුණි. ජූල් සහ ඔහුගේ මිතුරන් 1830 ගණන්වල අත්හදා බැලීම් සිදු කළ පසු, තාපය යනු උෂ්ණත්ව වෙනස්කම් නිසා මාරු වන ශක්තිය බව විද්යාඥයන් නිශ්චිතවම දැන සිටියහ. එබැවින් තාප ගති විද්යාවේ පළමු නියමය 1830 න් පසුව සකස් කරන ලදී. සාඩි කාර්නොට් 1824 දී න්යායාත්මකව පරමාදර්ශී තාප එන්ජිමක් අධ්යයනය කර තිබුණි. ඔහු කළ පර්යේෂණය ඇත්ත වශයෙන්ම එකල භාවිතයේ තිබූ වාෂ්ප එන්ජින්වල කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කිරීමයි. එකල බොහෝ වාෂ්ප එන්ජින් අඩු කාර්යක්ෂම විය.
සාඩි කාර්නොට් විසින් සංවර්ධනය කරන ලද පරමාදර්ශී තාප එන්ජිමක චක්රය කාර්නොට් චක්රය ලෙස හැඳින්වේ. කාර්නොට් චක්රය සමාලෝචනය කිරීමට පෙර, ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්රියාවලීන් තේරුම් ගැනීම උපකාරී වේ. ස්වාභාවිකව සිදුවන සෑම ශක්ති පරිවර්තනය සහ හුවමාරු ක්රියාවලියක්ම සාමාන්යයෙන් ආපසු හැරවිය නොහැක. උදාහරණයක් ලෙස, අපි අපේ දෑත් එකට අතුල්ලන්නේ නම්, ඒවා උණුසුම් බවක් දැනේ. මෙම අවස්ථාවේ දී, අප කරන කාර්යය හරහා තාපය නිපදවනු ලැබේ. ක්රියාවලිය ආපසු හැරවිය නොහැක. නිපදවන තාපයට අපගේ දෑත් එකට අතුල්ලමින් තනිවම වැඩ කළ නොහැක. තාප එන්ජිමක ඉලක්කය වන්නේ මෙම ක්රියාවලිය අර්ධ වශයෙන් ආපසු හැරවීමයි, එහිදී තාපය උපරිම කාර්යක්ෂමතාවයෙන් වැඩ කිරීමට භාවිතා කළ හැකිය. තාප එන්ජිමක් උපරිම කාර්යක්ෂමතාවයක් ලබා ගැනීම සඳහා, අපි සියලු ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්රියාවලීන් වළක්වා ගත යුතුය. ස්වාභාවිකව සිදුවන තාප හුවමාරුව සාමාන්යයෙන් ආපසු හැරවිය නොහැකි බැවින්, තාප හුවමාරුව වැළැක්වීමට උත්සාහ කරනු ලැබේ.
එන්ජිම තාපය ලබා ගන්නා විට QH ඉහළ උෂ්ණත්වයක් ඇති ස්ථානවල (TH), යන්ත්රයේ වැඩ කරන ද්රව්යය ද උෂ්ණත්වය T හි තිබිය යුතුය.H. එලෙසම, එන්ජිම තාපය ඉවත් කළහොත් QL අඩු උෂ්ණත්වයක් ඇති ස්ථානවල (TL), යන්ත්රයේ වැඩ කරන ද්රව්යය ද උෂ්ණත්වය T හි තිබිය යුතුය.L. එබැවින් තාප හුවමාරුව සම්බන්ධ සෑම ක්රියාවලියක්ම සමෝෂ්ණීය (එකම උෂ්ණත්වය) විය යුතුය. අනෙක් අතට, එන්ජිම තුළ වැඩ කරන ද්රව්යයේ උෂ්ණත්වය T අතර නම්H සහ ටීL, යන්ත්රය සහ උෂ්ණත්වය T ඇති ස්ථානයක් අතර තාප හුවමාරුවක් නොතිබිය යුතුය.H (තාප සැපයුම්කරු) සහ උෂ්ණත්වය T ඇති ස්ථානයක්L (ඉවත දැමීම). තාපය පිටවීම වැළැක්වීම සඳහා, ක්රියාවලිය ස්ථිර තාපන ආකාරයෙන් සිදු කළ යුතුය.
කාර්නොට් චක්රය ඇත්ත වශයෙන්ම ආපසු හැරවිය හැකි සමෝෂ්ණ ක්රියාවලීන් දෙකකින් සහ ආපසු හැරවිය හැකි ස්ථිරතාපී ක්රියාවලීන් දෙකකින් සමන්විත වේ.
දකුණු පස ඇති රූපයේ දැක්වෙන්නේ පරිපූර්ණ වායුවක් සඳහා වන කාර්නොට් චක්රයයි. මුලදී, සමෝෂ්ණ ප්රසාරණයේදී තාපය අවශෝෂණය වේ (a-b). සමෝෂ්ණ ප්රසාරණයේදී, සිලින්ඩරයේ වායුවේ උෂ්ණත්වය නියතව තබා ගනී.
ඊළඟට, වායුව ස්ථිරතාපීව ප්රසාරණය වන අතර එමඟින් එහි උෂ්ණත්වය T H සිට T L (b-c) දක්වා පහත වැටේ. T H = ඉහළ උෂ්ණත්වය (ඉහළ උෂ්ණත්වය), T L = අඩු උෂ්ණත්වය (අඩු උෂ්ණත්වය). ස්ථිරතාපී ප්රසාරණය අතරතුර, කිසිදු තාපයක් සිලින්ඩරයට ඇතුළු වන්නේ හෝ පිටවන්නේ නැත. ඉන්පසු, වායුව සමෝෂ්ණීයව සම්පීඩනය කරනු ලැබේ (c-d). සමෝෂ්ණී සම්පීඩනය අතරතුර, වායු උෂ්ණත්වය නියතව තබා ගනී. ඊළඟට, වායුව ස්ථිරතාපීව සම්පීඩනය කරනු ලැබේ (d-a). එය ස්ථිරතාපීව සම්පීඩනය කර ඇති නිසා, වායු උෂ්ණත්වය වැඩි වේ. වායු පීඩනය ද වැඩි වන පරිදි වායු උෂ්ණත්වය වැඩි වේ. කාර්නොට් චක්රයේ සියලුම ක්රියාවලීන් ආපසු හැරවිය හැකිය.
සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය සහ සම්පීඩනය අතරතුර, වායු උෂ්ණත්වය නියතව තබා ගනී. ඉලක්කය වන්නේ උෂ්ණත්ව වෙනස්කම් වළක්වා ගැනීමයි. උෂ්ණත්ව වෙනස්කම් තාප හුවමාරුව (ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්රියාවලියක්) ඇති කළ හැකිය. සමෝෂ්ණ ක්රියාවලියක් සිදුවීමට (වායු උෂ්ණත්වය නියතව තබා ගැනීමට), වායුව සෙමින් ප්රසාරණය කිරීම හෝ සම්පීඩනය කළ යුතුය. යථාර්ථයේ දී, වායු ප්රසාරණය හෝ සම්පීඩනය වඩාත් වේගයෙන් සිදු වේ. මෙය කැළඹිලි ස්වභාවය (ද්රව ගති විද්යාව මාතෘකාව මතක තබා ගන්න), ඝර්ෂණය, දුස්ස්රාවිතතාවය යනාදිය නිසා සිදු වේ. එහි ප්රතිඵලයක් ලෙස, පරිපූර්ණ සමෝෂ්ණ ක්රියාවලියක් කිසිදා නොපවතිනු ඇත. ඒ වෙනුවට, ස්ථිරතාපී ප්රසාරණය සහ සම්පීඩනය වේගයෙන් සිදු වේ.
ඉලක්කය වන්නේ සිලින්ඩරයට හෝ ඉන් පිටතට තාපය ගලා යාම වැළැක්වීමයි. ඝර්ෂණය, දුස්ස්රාවිතතාවය සහ අනෙකුත් සාධක පරිපූර්ණ ස්ථිරතාපී ප්රසාරණය සහ සම්පීඩනය වළක්වයි. කාර්නොට් එන්ජිම තනිකරම න්යායාත්මක බව සැලකිල්ලට ගැනීම වැදගත්ය; එය අපගේ එදිනෙදා ජීවිතයේදී නොපවතී. න්යායාත්මක වුවද, කාර්නොට් එන්ජිම තාප ගති විද්යාවේ වර්ධනයට සැලකිය යුතු ලෙස දායක වේ. අවම වශයෙන්, ක්රියාවලිය අතරතුර සිදුවිය හැකි ඕනෑම ආපසු හැරවිය නොහැකි ක්රියාවලීන් හඳුනාගෙන ඒවා අවම කිරීමට උත්සාහ කළ හැකි අතර එමඟින් අපගේ නිර්මාණය කරන ලද තාප එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව උපරිම කරයි.
කාර්නොට් එන්ජිමේ ඉතා වැදගත් ප්රතිඵලයක් නම්, පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමක් සඳහා, ලැබෙන තාපය (Q H ) උෂ්ණත්වය T H ට සමානුපාතික වන අතර ප්රතික්ෂේප කරන ලද තාපය (Q L ) උෂ්ණත්වය T L ට සමානුපාතික වේ . මේ අනුව, පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමක කාර්යක්ෂමතාව:
උදාහරණ ප්රශ්නය 1:
වාෂ්ප එන්ජිමක් 500 o C සහ 300 o C අතර ක්රියාත්මක වේ. වාෂ්ප එන්ජිමේ පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව (කාර්නොට් කාර්යක්ෂමතාව) තීරණය කරන්න.
සාකච්ඡා
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 o C සහ 300 o C අතර ක්රියාත්මක වන පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමක පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව හෝ කාර්යක්ෂමතාව 26% කි. අප එදිනෙදා ජීවිතයේදී භාවිතා කරන එන්ජිම 500 o C සහ 300 o C අතර ක්රියාත්මක වන්නේ නම්, එන්ජිමට ලබා ගත හැකි උපරිම කාර්යක්ෂමතාව සාමාන්යයෙන් පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව මෙන් 0,7 ගුණයක් (18,2%) පමණ වේ.
උදාහරණ ප්රශ්නය 2:
තාප එන්ජිමක් 300 o C උෂ්ණත්වයකදී ජූල් 600 ක තාපයක් (Q) ලබා ගනී , ජූල් 100 ක් වැඩ කරයි (W) සහ 100 o C උෂ්ණත්වයකදී 500 J ප්රතික්ෂේප කරයි. මෙම එන්ජිමේ සැබෑ කාර්යක්ෂමතාව සහ පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව (කාර්නොට් කාර්යක්ෂමතාව) තීරණය කරන්න...
සාකච්ඡා
උෂ්ණත්වය කෙල්වින් පරිමාණයට පරිවර්තනය කළ යුතුය.
T H (ඉහළ උෂ්ණත්වය) = 300 o C ‐‐ 300 + 273 = 573 K
T L (අඩු උෂ්ණත්වය) = 100 o C ‐‐ 100 + 273 = 373 K
Q එච් = 600 ජේ
Q L = 500 J
එන්ජින් කාර්යක්ෂමතාව:
300 o C සහ 100 o C අතර ක්රියාත්මක වන පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමක පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව හෝ කාර්යක්ෂමතාව 35% කි. එන්ජිමට ලබා ගත හැකි උපරිම කාර්යක්ෂමතාව සාමාන්යයෙන් පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = වැඩ කිරීමට භාවිතා කළ හැකි තාපය 147 J) මෙන් 0,7 ගුණයක් පමණ වේ.
මෙම එන්ජිමේ සැබෑ කාර්යක්ෂමතාව 17% කි (වැඩ කිරීමට භාවිතා කරන්නේ තාපය 100 J පමණි). වැඩ කිරීමට භාවිතා කළ හැකි තාපය තවමත් 147 J – 100 J = 47 J පමණ වේ. අපට සිදුවන පාඩු අවම කිරීම සඳහා මෙම එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කළ හැකි නම් එය හොඳයි.
උදාහරණ ප්රශ්නය 3:
යන්ත්රයකට ජූල් 1000 ක තාපයක් ලැබෙන අතර සෑම චක්රයකම ජූල් 400 ක වැඩ ප්රමාණයක් නිපදවයි. මෙම යන්ත්රය 500 o C සහ 200 o C අතර ක්රියාත්මක වේ. මෙම යන්ත්රයේ සැබෑ කාර්යක්ෂමතාව සහ පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව කුමක්ද?
සාකච්ඡා
T H (ඉහළ උෂ්ණත්වය) = 500 o C ‐‐ 500 + 273 = 773 K
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 ලෙසද හැඳින්වෙන පරමාදර්ශී කාර්යක්ෂමතාව 40% කි. සැබෑ එන්ජින් කාර්යක්ෂමතාව 60% කි. එවැනි එන්ජිමක් නොපවතී. එන්ජිමක කාර්යක්ෂමතාව කාර්නොට් කාර්යක්ෂමතාව ඉක්මවා යා නොහැක.
උදාහරණ ප්රශ්නය 4:
කාර්නොට් එන්ජිමේ කාර්යක්ෂමතාව 100% (1) දක්වා ළඟා වීමට නම්, අවශ්ය පිටාර උෂ්ණත්වය (TL ) කුමක්ද?
සාකච්ඡා
පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමක කාර්යක්ෂමතාව 100% දක්වා ළඟා වීමට නම් (සියලුම ආදාන තාපය වැඩ කිරීමට භාවිතා කළ හැකිය), පිටාර උෂ්ණත්වය (TL ) = 0 කෙල්වින් විය යුතුය.
කෙල්වින් 0 ක උෂ්ණත්වයකට ළඟා වීම කළ නොහැක්කකි. මෙම ප්රකාශය තාප ගති විද්යාවේ තුන්වන නියමයයි.
කෙල්වින් 0ක් ලබා ගැනීමට නොහැකි නිසා, පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමකට 100%ක කාර්යක්ෂමතාවයක් තිබිය නොහැක. පරිපූර්ණ තාප එන්ජිමකට පවා 100%ක කාර්යක්ෂමතාවයක් තිබිය නොහැක, අප එදිනෙදා ජීවිතයේදී භාවිතා කරන තාප එන්ජින් ගැන සඳහන් නොකරන්න.
තාප එන්ජිමකින් 100% කාර්යක්ෂමතාවයක් ලබා ගත නොහැකි බැවින්, සියලු ආදාන තාපය (Q H ) වැඩ කිරීමට භාවිතා කළ නොහැකි බව අපට නිගමනය කළ හැකිය. යම් තාපයක් අහිමි විය යුතුය (Q L ).
(චක්රයක ක්රියා කරන) තාප එන්ජිමකට සියලු තාපය කාර්යය බවට පරිවර්තනය කළ නොහැක (තාප ගති විද්යාවේ දෙවන නියමය - කෙල්වින්-ප්ලාන්ක් ප්රකාශය).
ඉහත තද අකුරු සහිත පෙළ තාප ගති විද්යාවේ දෙවන නියමයේ විශේෂ ප්රකාශයකි. එය තාප එන්ජින් සඳහා පමණක් අදාළ වන බැවින් එය විශේෂ ප්රකාශයක් ලෙස හැඳින්වේ. කෙල්වින් සහ ප්ලාන්ක් එය සකස් කළ බැවින්, එය කෙල්වින්-ප්ලාන්ක් ප්රකාශය ලෙසද හැඳින්වේ. ඉහත ප්රකාශයේ "චක්රය" යන වචනය තිබීම සැලකිල්ලට ගන්න. චක්රයක් යනු නැවත නැවතත් සිදුවන ක්රියාවලියකි. එබැවින්, තාප එන්ජිමක් අඛණ්ඩව ක්රියා කරයි. "චක්රය" යන වචනය එකතු කරනු ලබන්නේ, යථාර්ථයේ දී, ක්රියාවලිය එක් වරක් පමණක් සිදු වුවහොත් සියලු තාපය කාර්යය බවට පරිවර්තනය කළ හැකි බැවිනි.
තාප ගති විද්යාවේ පළමු නියමයේ දී, සමස්ථානික, සමස්ථානික, සමස්ථානික සහ ස්ථිරතාපී ක්රියාවලීන් ඇතුළු තාප ගතික ක්රියාවලීන් කිහිපයක් පැහැදිලි කරන ලදී. සමස්ථානික ක්රියාවලියකදී, සියලු තාපය කාර්යය බවට පරිවර්තනය කළ හැකිය (Q = W). ක්රියාවලිය එක් අදියරකින් පමණක් සිදුවුවහොත් මෙය සිදුවිය හැකිය. පහත රූපය නිරීක්ෂණය කරන්න:
මෙම ප්රස්ථාරයේ දැක්වෙන්නේ එක් පියවරක් තුළ සිදුවන සමෝෂ්ණ ක්රියාවලියක් (සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය) ය. මෙම ක්රියාවලියේදී, සියලු තාපය (Q) කාර්යය (W) බවට පරිවර්තනය වේ. සිදු කරන ලද වැඩ ප්රමාණය = සෙවන ලද ප්රදේශය.
ප්රයෝජනවත් වීමට නම්, තාප එන්ජිමක් අඛණ්ඩව ක්රියාත්මක විය යුතුය (ක්රියාවලිය එක් අදියරකින් පමණක් නොව නැවත නැවතත් සිදුවිය යුතුය). උදාහරණයක් ලෙස, ප්රත්යාවර්ත වාෂ්ප එන්ජිමක්. ප්රත්යාවර්ත වාෂ්ප එන්ජිමක පිස්ටනය රෝදයට භ්රමණය විය හැකි වන පරිදි දකුණට සහ වමට අඛණ්ඩව චලනය විය යුතුය (යමක් චලනය කිරීමට භාවිතා කළ හැකිය). පිස්ටනය දකුණට පමණක් ගමන් කළහොත් රෝදයට භ්රමණය විය නොහැක, ඉන්පසු එය නතර වේ (ක්රියාවලිය එක් අදියරකින් පමණක් සිදු වේ). ක්රියාවලිය නැවත නැවත සිදු වුවහොත් (පිස්ටනය දකුණට සහ වමට අඛණ්ඩව ගමන් කරයි), සියලු තාපය කාර්යය බවට පරිවර්තනය කළ නොහැක (කෙල්වින්-ප්ලාන්ක්ගේ ප්රකාශය). උදාහරණයක් ලෙස, ඉහත ප්රස්ථාරයේ පෙන්වා ඇති සමෝෂ්ණ ක්රියාවලිය සලකා බලමු.
වම් පස ඇති ප්රස්ථාරයෙන් සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය (පහළට ඊතලය) සහ සමෝෂ්ණ සම්පීඩනය (ඉහළට ඊතලය) පෙන්වයි. ක්රියාවලිය අඛණ්ඩව සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය (කිසිදු කාර්යයක් සිදු නොවේ). දකුණු පස ඇති ප්රස්ථාරයෙන් සමෝෂ්ණ ප්රසාරණය (පහළට ඊතලය), සමෝෂ්ණ සම්පීඩනය (වම් ඊතලය) සහ සමෝෂ්ණ ක්රියාවලිය (ඉහළට ඊතලය) පෙන්වයි. මෙම ප්රස්ථාර දෙකෙන්, අඛණ්ඩව සිදුවන ක්රියාවලීන් (චක්රය) සඳහා සෑම විටම තාප අලාභයක් සිදුවන බව පැහැදිලිය. මෙය පෙර කෙල්වින්-ප්ලාන්ක් ප්රකාශයට අනුකූල වේ.
