வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதி

வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதி பற்றிய கட்டுரை

இயற்கையாக நிகழும் அனைத்து செயல்முறைகளும் ஒரே திசையில் மட்டுமே நிகழ்கின்றன, ஆனால் எதிர் திசையில் நிகழ முடியாது. இவை பொதுவாக மீளா செயல்முறைகள் என்று குறிப்பிடப்படுகின்றன. ஒரு மாம்பழம் அதன் தண்டிலிருந்து விடுபட்டு தரையில் தடையின்றி விழுந்த பிறகு , அது மீண்டும் மேல்நோக்கி நகர்வதில்லை. நாம் தள்ளி நிறுத்தும் ஒரு புத்தகம் ஒருபோதும் நம்மை நோக்கித் திரும்பி வருவதில்லை. அதிக வெப்பநிலை கொண்ட ஒரு பொருளை (சூடான பொருள்) குறைந்த வெப்பநிலை கொண்ட ஒரு பொருளால் (குளிர்ந்த பொருள்) தொட்டால், வெப்பம் இயற்கையாகவே அதிக வெப்பநிலை கொண்ட பொருளிலிருந்து குறைந்த வெப்பநிலை கொண்ட பொருளுக்குப் பாய்கிறது. வெப்பம் இயற்கையாகவே ஒரு குளிர்ந்த பொருளிலிருந்து ஒரு சூடான பொருளுக்குச் செல்லும் தலைகீழ் செயல்முறையை நாம் ஒருபோதும் காண்பதில்லை. இந்த செயல்முறை நிகழ்ந்தால், குளிர்ந்த பொருள் மேலும் குளிராகவும், சூடான பொருள் மேலும் சூடாகவும் மாறும். ஆனால் உண்மையில், அது அப்படி இல்லை. ஒன்றுக்கொன்று வேறுபட்டதாகத் தோன்றும் பல மீளா செயல்முறைகள் உள்ளன, ஆனால் அவை அனைத்தும் ஆற்றலின் வடிவத்தில் ஏற்படும் மாற்றங்களையும், ஒரு பொருளிலிருந்து மற்றொரு பொருளுக்கு ஆற்றல் பரிமாற்றத்தையும் உள்ளடக்கியுள்ளன.

உதாரணமாக, ஒரு சக்திவாய்ந்த நிலநடுக்கம் ஏற்பட்டு கட்டிடங்கள் இடிந்து விழுகின்றன (நிலநடுக்க அலைகளால் ஏற்படும் ஆற்றலின் காரணமாக கட்டிடங்கள் இடிந்து விழுகின்றன). இடிந்து விழுந்த கட்டிடத்தின் ஒவ்வொரு பகுதியும் மீண்டும் ஒன்றிணைந்து, முன்பிருந்ததைப் போலவே நிமிர்ந்து நிற்பதை நீங்கள் எப்போதாவது பார்த்திருக்கிறீர்களா? அல்லது, உதாரணமாக, ஒரு கண்ணாடித் துண்டு தரையில் விழுந்து உடைகிறது... தரையில் சிதறிக் கிடக்கும் கண்ணாடித் துண்டுகள் மீண்டும் ஒன்றிணைந்து, முன்பிருந்ததைப் போலவே ஒரு முழுமையான கண்ணாடியாக உருவாவதை நீங்கள் எப்போதாவது பார்த்திருக்கிறீர்களா? அப்படி ஒருபோதும் நடந்ததில்லை... இதுபோல இன்னும் பல உதாரணங்கள் உள்ளன.

ஒரே திசையில் மட்டும் நிகழும் வெப்ப இயக்கவியல் செயல்முறைகளை (மீளா செயல்முறைகள்) விளக்குவதற்காக, விஞ்ஞானிகள் வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதியை உருவாக்கினர். பிரபஞ்சத்தில் எந்தெந்த செயல்முறைகள் நிகழலாம், எந்தெந்த செயல்முறைகள் நிகழ முடியாது என்பதை வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதி விளக்குகிறது. ஆர்.ஜே.இ. கிளாசியஸ் (1822–1888) என்ற விஞ்ஞானி பின்வரும் கூற்றைக் கூறினார்:

வெப்பம் அதிக வெப்பநிலை கொண்ட பொருளிலிருந்து குறைந்த வெப்பநிலை கொண்ட பொருளுக்குத் தானாகவே நகரும்; வெப்பம் குறைந்த வெப்பநிலை கொண்ட பொருளிலிருந்து அதிக வெப்பநிலை கொண்ட பொருளுக்குத் தானாகவே நகராது (வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதி – கிளாசியஸ் கூற்று).

கிளாசியஸ் கூற்று என்பது வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதியின் ஒரு சிறப்புக்கூற்றாகும். இது வெப்பப் பரிமாற்றம் எனும் ஒரே ஒரு செயல்முறைக்கு மட்டுமே பொருந்துவதால், இது ஒரு சிறப்புக்கூற்று என அழைக்கப்படுகிறது. இந்தக் கூற்று மற்ற செயல்முறைகளுடன் தொடர்பில்லாததால், நமக்கு ஒரு பொதுவான கூற்று தேவைப்படுகிறது. வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதியின் பொதுவான கூற்றின் உருவாக்கம், ஓரளவிற்கு வெப்ப இயந்திரங்களின் ஆய்வை அடிப்படையாகக் கொண்டிருந்தது. எனவே, நாம் முதலில் வெப்ப இயந்திரங்களைப் பற்றி விவாதிப்போம்.

வெப்ப இயந்திரம்

நாம் பயன்படுத்தும் ஆற்றலில் பெரும்பகுதி, பெட்ரோலியம், எரிவாயு மற்றும் நிலக்கரியில் உள்ள வேதியியல் நிலை ஆற்றலிலிருந்து வருகிறது. பெட்ரோலியம், எரிவாயு அல்லது நிலக்கரியில் உள்ள வேதியியல் நிலை ஆற்றலை நேரடியாகப் பயன்படுத்த முடியாது. பெட்ரோலியம், எரிவாயு அல்லது நிலக்கரியை முதலில் எரிக்க வேண்டும். பொதுவாக, புதைபடிவ எரிபொருட்களை (பெட்ரோலியம், எரிவாயு மற்றும் நிலக்கரி) எரிக்கும்போது வெப்பம் உருவாகிறது. உணவைச் சமைக்கவும், ஒரு அறையைச் சூடாக்கவும் வெப்பத்தை நேரடியாகப் பயன்படுத்தலாம். ஒரு பொருளை நகர்த்துவதற்கு (உதாரணமாக, ஒரு வாகனத்தை நகர்த்த), நாம் வெப்பத்தை இயக்க ஆற்றலாக அல்லது இயந்திர ஆற்றலாக மாற்ற வேண்டும் (இயந்திர ஆற்றல் = நிலை ஆற்றல் + இயக்க ஆற்றல்). இயந்திர ஆற்றலை வெப்பமாக மாற்றுவது மிகவும் எளிதான வேலை, ஆனால் வெப்பத்தை இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றுவது கடினமானது. உங்கள் உள்ளங்கைகளை ஒன்றாகத் தேய்த்துப் பாருங்கள்... உங்கள் உள்ளங்கைகள் சூடாக இருக்கின்றன, இல்லையா? நாம் நமது உள்ளங்கைகளை ஒன்றாகத் தேய்க்கும்போது (நாம் வேலை செய்கிறோம்), இயந்திர ஆற்றல் வெப்பமாக மாற்றப்படுகிறது. இந்த செயல்முறை மிகவும் எளிதானது... வேலை செய்வதன் மூலம் எல்லையற்ற வெப்பத்தைக்கூட உருவாக்க முடியும். ஆனால் இதன் தலைகீழ் செயல்முறை, அதாவது வேலை செய்ய வெப்பத்தைப் பயன்படுத்துவது கடினமானது.

வேலை செய்வதற்காக வெப்பத்தைப் பயன்படுத்தும் ஒரு சாதனம் 1700-ஆம் ஆண்டில்தான் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது. அந்தக் கருவி நீராவி இயந்திரம் ஆகும். நீராவி இயந்திரங்கள் முதலில் நிலக்கரிச் சுரங்கங்களிலிருந்து தண்ணீரை வெளியேற்றப் பயன்படுத்தப்பட்டன. வெப்பநிலை வேறுபாடுகளால் வெப்பம் என்பது உண்மையில் ஆற்றல் பரிமாற்றம் செய்யப்படுகிறது என்பதை விஞ்ஞானிகள் அறிவதற்கு முன்பே நீராவி இயந்திரங்களின் முதல் பயன்பாடு நிகழ்ந்தது என்பது குறிப்பிடத்தக்கது (வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதி அப்போது இன்னும் உருவாக்கப்படவில்லை).

அக்காலத்தில் நீராவி இயந்திரங்களின் பயன்பாடு, நீராவியால் பொருட்களை நகர்த்த முடியும் என்பதைக் காட்டும் அன்றாட அனுபவத்தை அடிப்படையாகக் கொண்டிருந்திருக்கலாம். நீராவி இயந்திரங்கள் வெப்ப இயந்திரங்களாகக் கருதப்படுகின்றன (வெப்ப இயந்திரம் = வெப்பத்தை இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றும் ஒரு சாதனம்). இன்று, நீராவி இயந்திரங்கள் மின் ஆற்றலை உற்பத்தி செய்யப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. நவீன வெப்ப இயந்திரங்கள் என்பவை உள் எரிப்பு இயந்திரங்கள் ஆகும் (கார் இயந்திரங்கள், மோட்டார் சைக்கிள் இயந்திரங்கள் போன்றவை).

வெப்ப இயந்திரத்தைப் பயன்படுத்துவதன் பின்னணியில் உள்ள அடிப்படைக் கருத்து என்னவென்றால், அதிக வெப்பநிலை உள்ள பகுதியிலிருந்து குறைந்த வெப்பநிலை உள்ள பகுதிக்கு வெப்பம் பாய அனுமதிக்கப்பட்டால் மட்டுமே, அதனை இயந்திர ஆற்றலாக மாற்ற முடியும் என்பதாகும். இந்தச் செயல்பாட்டின் போது, ​​வெப்பத்தின் ஒரு பகுதி இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது (வெப்பத்தின் ஒரு பகுதி வேலை செய்யப் பயன்படுத்தப்படுகிறது), அதே சமயம் வெப்பத்தின் ஒரு பகுதி குறைந்த வெப்பநிலை உள்ள பகுதிக்கு வெளியேற்றப்படுகிறது. ஒரு வெப்ப இயந்திரத்தில் நடைபெறும் ஆற்றல் மாற்றம் மற்றும் ஆற்றல் பரிமாற்றச் செயல்முறை வரைபடத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளது.

உயர் வெப்பநிலை (T)_H) மற்றும் குறைந்த வெப்பநிலை (T_LQ என்பது இயந்திரத்தின் இயக்க வெப்பநிலை என்றும் அழைக்கப்படுகிறது. அதிக வெப்பநிலை உள்ள இடத்திலிருந்து பாயும் வெப்பத்திற்கு Q என்ற குறியீடு வழங்கப்படுகிறது._Hஅதே சமயம், குறைந்த வெப்பநிலை உள்ள இடத்திற்கு வெளியிடப்படும் வெப்பத்திற்கு Q என்ற குறியீடு வழங்கப்படுகிறது._L. அதிக வெப்பநிலை உள்ள இடத்திலிருந்து குறைந்த வெப்பநிலை உள்ள இடத்திற்குப் பாயும்போது, ​​சில Q_H இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றப்பட்டு (வேலை செய்யப் பயன்படுத்தப்பட்டு), அதில் ஒரு பகுதி Q ஆக வெளியிடப்படுகிறது._Lஉண்மையில், எல்லா Q-க்களும்_H W ஆக மாற்ற முடியும், ஆனால் இது சாத்தியமற்றது என்பதை அன்றாட அனுபவம் காட்டுகிறது. எப்போதும் சிறிதளவு வெப்பம் இழக்கப்படுகிறது. எனவே, ஆற்றல் அழிவின்மை விதியின் அடிப்படையில், Q என்று முடிவு செய்யலாம்._H = டபிள்யூ + கே_L.

இப்போது, ​​வெப்பத்தை இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றப் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் ஒரு வெப்ப இயந்திரத்தைப் பற்றிப் பார்ப்போம். நாம் தொடர்ச்சியான வேலையைச் செய்யும் வெப்ப இயந்திரங்களை மட்டுமே கருத்தில் கொள்கிறோம் என்பதைக் கவனத்தில் கொள்வது அவசியம். வேலை தொடர்ச்சியாகச் செய்யப்பட வேண்டுமானால், வெப்பம் ஒரு உயர்-வெப்பநிலை பகுதியிலிருந்து ஒரு குறைந்த-வெப்பநிலை பகுதிக்குத் தொடர்ச்சியாகப் பாய வேண்டும். வெப்பம் ஒருமுறை மட்டுமே பாய்ந்தால், வெப்ப இயந்திரத்தால் செய்யப்படும் வேலையும் ஒருமுறை மட்டுமே செய்யப்படும் (உருவாக்கப்படும் இயந்திர ஆற்றல் மிகக் குறைவாக இருக்கும்). எனவே, வெப்ப இயந்திரத்தை உகந்த முறையில் பயன்படுத்த முடியாது. ஒரு வெப்ப இயந்திரம் தொடர்ச்சியாக வேலையைச் செய்தால், அதை உகந்த முறையில் பயன்படுத்த முடியும். வேறுவிதமாகக் கூறினால், வெப்ப இயந்திரத்தால் உருவாக்கப்படும் இயந்திர ஆற்றல், ஒரு பொருளை நகர்த்துவதற்குப் போதுமானதாக இருக்க வேண்டும்.

நீராவி இயந்திரம்

நீராவி இயந்திரங்கள் வெப்பப் பரிமாற்ற ஊடகமாக நீராவியைப் பயன்படுத்துகின்றன. நீராவி என்பது ஒரு நீராவி இயந்திரத்தின் வேலை செய்யும் பொருள் எனக் குறிப்பிடப்படுகிறது. நீராவி இயந்திரங்களில் இரண்டு வகைகள் உள்ளன: முன்னும் பின்னுமாக இயங்கும் நீராவி இயந்திரங்கள் மற்றும் விசையாழி நீராவி இயந்திரங்கள் (நீராவி விசையாழிகள்). அவற்றின் வடிவமைப்புகள் சற்றே வேறுபட்டாலும், இரண்டு வகைகளுக்கும் சில ஒற்றுமைகள் உள்ளன: அவை எண்ணெய், எரிவாயு, நிலக்கரி அல்லது அணுசக்தியை எரிப்பதன் மூலம் சூடாக்கப்பட்ட நீராவியைப் பயன்படுத்துகின்றன.

முன்னும் பின்னுமாக இயங்கும் வகை நீராவி இயந்திரம்

ஒரு கலனில் உள்ள நீர் பொதுவாக உயர் அழுத்தத்தில் சூடுபடுத்தப்படுகிறது. அது உயர் அழுத்தத்தில் சூடுபடுத்தப்படுவதால், கொதிக்கும் செயல்முறை உயர் வெப்பநிலையில் நிகழ்கிறது. வெப்பநிலை அழுத்தத்திற்கு நேர் விகிதத்தில் உள்ளது. நீராவியின் வெப்பநிலை அதிகமாக இருந்தால், ஆவி அழுத்தமும் அதிகமாக இருக்கும். இந்த உயர் வெப்பநிலை அல்லது உயர் அழுத்த நீராவி, உள்ளீட்டு வால்வு வழியாகச் சென்று பிஸ்டனுக்கு எதிராக விரிவடைகிறது. அது விரிவடையும்போது, ​​நீராவி பிஸ்டனைத் தள்ளி, அதை வலப்பக்கம் நகரச் செய்கிறது.

நீராவியில் உள்ள வெப்பத்தின் ஒரு பகுதி இயக்க ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது. பிஸ்டன் வலதுபுறம் நகரும்போது, ​​பிஸ்டனுடன் இணைக்கப்பட்ட சக்கரம் சுழல்கிறது (1). அரைச் சுழற்சிக்குப் பிறகு, சக்கரம் பிஸ்டனை அதன் அசல் நிலைக்குத் தள்ளுகிறது (2). பிஸ்டன் இடதுபுறம் நகரும்போது, ​​உள்ளீட்டு வால்வு தானாகவே மூடுகிறது, அதே நேரத்தில் வெளியேற்று வால்வு தானாகவே திறக்கிறது. நீராவி, குளிர்விப்பானால் ஒடுக்கப்பட்டு, பனியாக மாறுகிறது. அடுத்து, குளிர்விப்பானில் உள்ள நீர் மீண்டும் கொதிக்க வைக்கப்படுவதற்காக கொள்கலனுக்குள் மீண்டும் செலுத்தப்படுகிறது. இப்படியே தொடர்கிறது... இந்த செயல்முறை மீண்டும் மீண்டும் நிகழ்வதால், பிஸ்டன் தொடர்ந்து வலப்புறமும் இடப்புறமும் நகர்கிறது. பிஸ்டன் தொடர்ந்து வலப்புறமும் இடப்புறமும் நகர்வதால், சக்கரமும் தொடர்ந்து சுழல்கிறது. சக்கரத்தின் சுழற்சி பொதுவாக எதையாவது நகர்த்துவதற்குப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

நீராவி விசையாழி

ஒரு நீராவி விசையாழியின் செயல்பாட்டுக் கொள்கை, அடிப்படையில் ஒரு முன்னும் பின்னுமான நீராவி இயந்திரத்தின் செயல்பாட்டுக் கொள்கையைப் போன்றதே ஆகும். வேறுபாடு என்னவென்றால், முன்னும் பின்னுமான நீராவி இயந்திரம் ஒரு பிஸ்டனைப் பயன்படுத்துகிறது, அதேசமயம் ஒரு நீராவி விசையாழி ஒரு விசையாழியைப் பயன்படுத்துகிறது. ஒரு முன்னும் பின்னுமான நீராவி இயந்திரத்தில், வெப்பம் முதலில் பிஸ்டனின் நேரியல் இயக்க ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது. அதன்பிறகு, பிஸ்டனின் நேரியல் இயக்க ஆற்றல், சுழலும் சக்கரத்தின் சுழற்சி இயக்க ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது. ஒரு நீராவி விசையாழியில், வெப்பம் நேரடியாக விசையாழியின் சுழற்சி இயக்க ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது. அழுத்த வேறுபாட்டின் காரணமாக விசையாழி சுழல முடியும். பிளேடுக்கு மேலே உள்ள நீராவியின் வெப்பநிலை, பிளேடுக்குக் கீழே உள்ள நீராவியின் வெப்பநிலையை விட மிகவும் அதிகமாக உள்ளது. பிளேடு என்பது விசையாழியின் மையத்தில் அமைந்துள்ள ஒரு மெல்லிய தகடு ஆகும். வெப்பநிலை அழுத்தத்திற்கு நேர் விகிதத்தில் உள்ளது. பிளேடுக்கு மேலே உள்ள நீராவியின் வெப்பநிலை, பிளேடுக்குக் கீழே உள்ள நீராவியின் வெப்பநிலையை விட அதிகமாக இருப்பதால், பிளேடுக்கு மேலே உள்ள நீராவி அழுத்தம், பிளேடுக்குக் கீழே உள்ள அழுத்தத்தை விட அதிகமாக உள்ளது. இந்த அழுத்த வேறுபாடு, நீராவியை பிளேடை கீழ்நோக்கித் தள்ளச் செய்கிறது, இதனால் விசையாழி சுழல்கிறது. விசையாழி சுழலும் திசை படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளது.

நீராவி இயந்திரத்தின் செயல்பாட்டுக் கொள்கையானது, மேலே விளக்கப்பட்டுள்ள ஆற்றல் பரிமாற்ற வரைபடத்தை அடிப்படையாகக் கொண்டது என்பதைக் கவனத்தில் கொள்ள வேண்டியது அவசியம். இந்த நிலையில், அதிக வெப்பநிலை கொண்ட ஒரு பொருள் அல்லது இடத்திலிருந்து குறைந்த வெப்பநிலை கொண்ட ஒரு பொருள் அல்லது இடத்திற்கு வெப்பம் பாய்வதை அனுமதிப்பதன் மூலம் இயந்திர ஆற்றலை உருவாக்க முடியும். எனவே, ஒரு நீராவி இயந்திரத்தில் வெப்பநிலை வேறுபாடு இன்றியமையாதது.

ஒரு முன்னும் பின்னுமான நீராவி இயந்திரம் எவ்வாறு செயல்படுகிறது என்பதை நீங்கள் கவனித்தால், வெப்பநிலை வேறுபாடு இல்லாதபோதும் (குளிர்விப்பான் அல்லது பம்ப் இல்லாதபோதும்) பிஸ்டன் இடது மற்றும் வலதுபுறமாக நகர முடியும் என்பதை நீங்கள் காண்பீர்கள். உயர் வெப்பநிலை அல்லது உயர் அழுத்த நீராவி விரிவடைவதால் பிஸ்டன் வலதுபுறமாக நகர முடிகிறது. இந்த நிலையில், நீராவியில் உள்ள வெப்பத்தின் ஒரு பகுதி பிஸ்டனின் நேர்கோட்டு இயக்க ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது. பிஸ்டனின் இந்த நேர்கோட்டு இயக்க ஆற்றல் பின்னர் சுழலும் சக்கரத்தின் சுழற்சி இயக்க ஆற்றலாக மாறுகிறது. அரைச் சுழற்சியை முடித்த பிறகு, சக்கரம் பிஸ்டனை மீண்டும் இடதுபுறமாகத் தள்ளுகிறது. சக்கரம் பிஸ்டனை மீண்டும் இடதுபுறமாகத் தள்ளும்போது, ​​சக்கரத்தின் சுழற்சி இயக்க ஆற்றல் மீண்டும் பிஸ்டனின் நேர்கோட்டு இயக்க ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது. பிஸ்டன் இடதுபுறமாக நகரும்போது, ​​அது சிலிண்டரில் உள்ள நீராவியை வெளியே தள்ளுகிறது. அதே நேரத்தில், வெளியேற்றும் வால்வு திறக்கிறது.

இவ்வாறு, பிஸ்டனால் தள்ளப்படும் நீராவி, வெளியேற்றும் வால்வுக்குக் கீழே உள்ள அதன் நண்பனைத் தள்ளும். இப்போது, ​​வெளியேற்றும் வால்வுக்குக் கீழே உள்ள நீராவியின் வெப்பநிலை, பிஸ்டனால் தள்ளப்படும் நீராவியின் வெப்பநிலைக்குச் சமமாக இருந்தால், பிஸ்டனின் அனைத்து நேரியல் இயக்க ஆற்றலும் மீண்டும் நீராவியின் அக ஆற்றலாக மாற்றப்படும். அக ஆற்றல் வெப்பநிலைக்கு நேர் விகிதத்தில் உள்ளது. நீராவியின் அக ஆற்றல் அதிகரித்தால், நீராவியின் வெப்பநிலையும் அதிகரிக்கும். வெப்பநிலை அழுத்தத்திற்கு நேர் விகிதத்தில் உள்ளது. நீராவியின் வெப்பநிலை அதிகரித்தால், நீராவியின் அழுத்தமும் அதிகரிக்கும். எனவே, வெளியேற்றும் வால்வு வழியாக வெளியேற்றப்படும் நீராவியின் அழுத்தம், உள்ளீட்டு வால்வு வழியாக நுழையும் நீராவியின் அழுத்தத்திற்குச் சமமாக இருக்கும். பிஸ்டன் தொடர்ந்து வலது மற்றும் இடதுபுறமாக நகர்ந்துகொண்டே இருக்கும், ஆனால் பயன்படுத்தக்கூடிய மொத்த இயக்க ஆற்றல் எதுவும் இருக்காது (மொத்த வேலை எதுவும் செய்யப்படாது). எனவே, விரிவடைதல் செயல்பாட்டின் போது (பிஸ்டன் வலதுபுறம் நகரும் போது) பிஸ்டனால் பெறப்பட்ட இயக்க ஆற்றல், அமுக்குதல் செயல்பாட்டின் போது (பிஸ்டன் இடதுபுறம் நகரும் போது) நீராவிக்குத் திருப்பி அளிக்கப்படும்.

ஒரு நீராவி இயந்திரத்தில் வெப்பநிலை வேறுபாடு இன்னும் அவசியம் என்று முடிவு செய்யப்படுகிறது. நீராவி இயந்திரத்தில் இந்த வெப்பநிலை வேறுபாட்டை ஒரு மின்தேக்கியைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் அடையலாம். வெளியேற்றும் வால்வுக்குக் கீழே உள்ள நீராவியின் வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்தம், உருளையில் உள்ள நீராவியின் வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்தத்தை விட மிகவும் குறைவாக இருக்கும்போது, ​​பிஸ்டன் இடதுபுறம் பின்னோக்கி நகரும்போது, ​​பிஸ்டன் நீராவியின் மீது செலுத்தும் அழுத்தத்தின் அளவு, பிஸ்டன் வலதுபுறம் நகரும்போது நீராவி பிஸ்டன் மீது செலுத்தும் அழுத்தத்தின் அளவை விட மிகவும் குறைவாக இருக்கும். வேறுவிதமாகக் கூறினால், பிஸ்டன் நீராவியின் மீது செய்யும் வேலையின் அளவு, நீராவி பிஸ்டன் மீது செய்யும் வேலையின் அளவை விட மிகவும் குறைவாக இருக்கும். எனவே பிஸ்டனின் இயக்க ஆற்றலின் ஒரு சிறிய பகுதி மட்டுமே நீராவிக்குத் திருப்பி அனுப்பப்படுகிறது. இதனால், மொத்த இயக்க ஆற்றல் அல்லது மொத்த வேலை உற்பத்தி செய்யப்படும். இந்த மொத்த இயக்க ஆற்றல் ஒரு பொருளை நகர்த்துவதற்குப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

உள் எரிப்பு இயந்திரம்

மோட்டார் சைக்கிள் மற்றும் கார் என்ஜின்கள் அக எரிப்பு என்ஜின்களுக்கு எடுத்துக்காட்டுகள் ஆகும். எரிதல் செயல்முறை ஒரு மூடிய உருளைக்குள் நடைபெறுவதால், அவை அக எரிப்பு என்ஜின்கள் என்று அழைக்கப்படுகின்றன. வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியில் விளக்கப்பட்டுள்ள, வெப்பமாறா அமுக்கம் மற்றும் விரிவாக்கம் என்ற கருத்தை பொறியியல் ரீதியாகச் செயல்படுத்தியதன் விளைவே அக எரிப்பு என்ஜின்கள் ஆகும்.

பெட்ரோல் மற்றும் டீசலை எரிபொருளாகப் பயன்படுத்தும் உள் எரிப்பு இயந்திரங்களை மட்டுமே நாம் கருத்தில் கொள்வோம். பெட்ரோல் மற்றும் டீசல் ஆகியவை பெட்ரோலியப் பொருட்கள், எனவே அவை வேதியியல் நிலை ஆற்றலைக் கொண்டுள்ளன. பெட்ரோல் மற்றும் டீசலில் உள்ள வேதியியல் நிலை ஆற்றல், முதலில் எரிதல் செயல்முறையின் மூலம் வெப்பமாக மாற்றப்படுகிறது. எரிதல் மூலம் உருவாகும் வெப்பம் பின்னர் இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது. இந்த இயந்திர ஆற்றல்தான் ஒரு மோட்டார் சைக்கிள் அல்லது காரை நகர அனுமதிக்கிறது. ஒரு பெட்ரோல் இயந்திரத்தில் உள்ள சுழற்சி ஆட்டோ சுழற்சி என்றும், ஒரு டீசல் இயந்திரத்தில் உள்ள சுழற்சி டீசல் சுழற்சி என்றும் அழைக்கப்படுகிறது. ஒரு சுழற்சி என்பது ஒரு மீளக்கூடிய வெப்ப இயக்கவியல் செயல்முறையாகும். முதலில் ஆட்டோ சுழற்சியைப் பற்றி விவாதிப்போம்.

ஓட்டோ சுழற்சி

இது ஒரு நான்கு-ஸ்ட்ரோக் உள் எரிப்பு இயந்திரத்தின் வரைபடம். பிஸ்டன் கீழ்நோக்கி நகரும்போது (உள்வாங்கும் ஸ்ட்ரோக்), காற்று மற்றும் பெட்ரோல் ஆவியின் கலவை கார்புரேட்டரிலிருந்து சிலிண்டருக்குள் பாய்கிறது. பின்னர், பிஸ்டன் மேல்நோக்கி நகரும்போது (அழுத்த ஸ்ட்ரோக்), சிலிண்டரில் உள்ள காற்று மற்றும் பெட்ரோல் ஆவியின் கலவை வெப்பப்பரிமாற்றமின்றி அழுத்தப்படுகிறது. அது வெப்பப்பரிமாற்றமின்றி அழுத்தப்படுவதால், கலவையின் வெப்பநிலையும் அழுத்தமும் அதிகரிக்கின்றன. அதே நேரத்தில், ஸ்பார்க் பிளக் அந்தக் கலவையைப் பற்றவைத்து எரியச் செய்கிறது. அது எரியும்போது, ​​வாயுவின் வெப்பநிலையும் அழுத்தமும் அதிகரிக்கின்றன. அதிக வெப்பநிலை மற்றும் அதிக அழுத்தம் கொண்ட வாயு, பிஸ்டனுக்கு எதிராக விரிவடைந்து, அதை கீழ்நோக்கித் தள்ளுகிறது (விரிவாக்க ஸ்ட்ரோக்). எரிந்த வாயு பின்னர் வெளியேற்றும் வால்வு வழியாக வெளியேற்றப்பட்டு, வெளியேற்றுக் குழாயை நோக்கிச் செலுத்தப்படுகிறது (வெளியேற்ற ஸ்ட்ரோக்). உள்வாங்கும் வால்வு மீண்டும் திறக்கிறது, மேலும் இந்த நான்கு ஸ்ட்ரோக்குகளும் மீண்டும் நிகழ்கின்றன.

வெப்பமாறா அமுக்கச் சுழற்சியின் நோக்கம், காற்று-பெட்ரோல் ஆவிக் கலவையின் வெப்பநிலையையும் அழுத்தத்தையும் அதிகரிப்பதே ஆகும் என்பதைக் கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும். உயர் அழுத்தத்தில் ஏற்படும் எரிதல், மிக அதிக வெப்பநிலையையும் அழுத்தத்தையும் உருவாக்குகிறது. இதன் விளைவாக, விரிவடையும் செயல்முறையின் போது உருவாகும் உந்துவிசை (F = PA) மிக அதிகமாக இருக்கும். இது ஒரு மோட்டார் சைக்கிள் அல்லது கார் இயந்திரம் அதிக சக்தி வாய்ந்ததாக மாற வழிவகுக்கிறது. அமுக்கம் இல்லாமலேயே, ஸ்பார்க் பிளக் ஒரு தீப்பொறியை உருவாக்கும்போது காற்று-பெட்ரோல் ஆவிக் கலவை பற்றிக்கொள்ள முடியும். இருப்பினும், எரிக்கப்பட்ட வாயுவின் வெப்பநிலையும் அழுத்தமும் மிக அதிகமாக இல்லாததால், அதன் விளைவாக ஏற்படும் உந்துவிசையும் குறைவாகவே இருக்கும். இதன் விளைவாக, இயந்திரத்தின் சக்தி குறைகிறது.

நான்கு-ஸ்ட்ரோக் உள் எரிப்பு இயந்திரத்தில் ஆற்றல் மாற்றம் மற்றும் ஆற்றல் பரிமாற்ற செயல்முறையை பின்வருமாறு விளக்கலாம்: எரிதலின் போது, ​​பெட்ரோலில் உள்ள வேதியியல் நிலை ஆற்றலும் காற்றில் உள்ள ஆற்றலும் வெப்பமாக மாற்றப்படுகின்றன. அந்த வெப்பத்தின் ஒரு பகுதி பிஸ்டன் தண்டு மற்றும் கிராங்க்ஷாஃப்ட்டில் இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது, அதே சமயம் ஒரு பகுதி புகைப்போக்கி வழியாக வெளியேற்றப்படுகிறது. பிஸ்டன் தண்டு மற்றும் கிராங்க்ஷாஃப்ட்டில் உள்ள இயந்திர ஆற்றலின் பெரும்பகுதி வாகனத்தில் இயந்திர ஆற்றலாக (வாகனத்தை நகர்த்துவதற்கு) மாற்றப்படுகிறது, அதே சமயம் ஒரு சிறிய பகுதி வெப்பமாக மாற்றப்படுகிறது. உராய்வின் மூலம் வெப்பம் உருவாகிறது.

ஓட்டோ சுழற்சியில் நிகழும் வெப்பமாறா விரிவு மற்றும் சுருக்கச் செயல்முறையைக் கீழேயுள்ள வரைபடத்தின் மூலம் விளக்கலாம். இந்த வரைபடம், பெட்ரோலால் இயங்கும் ஓர் உள் எரிப்பு இயந்திரத்தில் நிகழும் வெப்ப இயக்கவியல் செயல்முறைகளின் ஒரு இலட்சிய மாதிரியைக் காட்டுகிறது.

காற்று மற்றும் பெட்ரோல் ஆவியின் கலவை உருளைக்குள் நுழைகிறது (a). பின்னர், காற்று மற்றும் பெட்ரோல் ஆவியின் கலவை வெப்பப்பரிமாற்றமின்றி அழுத்தப்படுகிறது (a-b). உருளையின் கன அளவு குறைகிறது என்பதைக் கவனிக்கவும். காற்று மற்றும் பெட்ரோல் ஆவியின் கலவை மாறா கன அளவில் வெப்பப்படுத்தப்படுகிறது – இந்தக் கலவை எரிக்கப்படுகிறது (b-c). எரிக்கப்பட்ட வாயு வெப்பப்பரிமாற்றமின்றி விரிவடைகிறது (c-d). மாறா கன அளவில் குளிர்வித்தல் – எரிக்கப்பட்ட வாயு வெளியேற்றுக் குழாய்க்கு வெளியேற்றப்பட்டு, காற்று + பெட்ரோல் ஆவியின் ஒரு புதிய கலவை உருளைக்குள் நுழைகிறது (d-a).

காற்று மற்றும் பெட்ரோல் ஆவியின் கலவை உருளைக்குள் நுழைகிறது (a). பின்னர், காற்று மற்றும் பெட்ரோல் ஆவியின் கலவை வெப்பப்பரிமாற்றமின்றி அழுத்தப்படுகிறது (a-b). உருளையின் கன அளவு குறைகிறது என்பதைக் கவனிக்கவும். காற்று மற்றும் பெட்ரோல் ஆவியின் கலவை மாறா கன அளவில் வெப்பப்படுத்தப்படுகிறது – இந்தக் கலவை எரிக்கப்படுகிறது (b-c). எரிக்கப்பட்ட வாயு வெப்பப்பரிமாற்றமின்றி விரிவடைகிறது (c-d). மாறா கன அளவில் குளிர்வித்தல் – எரிக்கப்பட்ட வாயு வெளியேற்றுக் குழாய்க்கு வெளியேற்றப்பட்டு, காற்று + பெட்ரோல் ஆவியின் ஒரு புதிய கலவை உருளைக்குள் நுழைகிறது (d-a).

டீசல் சுழற்சி

டீசல் எஞ்சினின் செயல்பாட்டுக் கொள்கை பெட்ரோல் எஞ்சினின் செயல்பாட்டுக் கொள்கையைப் போன்றதே ஆகும். ஆரம்ப வெப்பமாறா அமுக்கப் படியில்தான் வேறுபாடு உள்ளது (வெப்பமாறா அமுக்கம் = வெப்பம் அமைப்புக்குள் அல்லது வெளியே பாய்வதற்கு நேரம் கிடைக்காத அளவுக்கு மிக வேகமாகச் செய்யப்படும் அமுக்கம். இந்த அமைப்பில், சிலிண்டர் ஒரு முக்கியப் பங்கு வகிக்கிறது). பெட்ரோல் எஞ்சினில், காற்று மற்றும் பெட்ரோல் ஆவியின் கலவை அமுக்கப்படும் நிலையில், டீசல் எஞ்சினில் காற்று மட்டுமே அமுக்கப்படுகிறது. வெப்பமாறா அமுக்கம் காற்றின் வெப்பநிலையையும் அழுத்தத்தையும் அதிகரிக்கச் செய்கிறது. அடுத்து, இன்ஜெக்டர் டீசலைத் தெளிக்கிறது. காற்றின் வெப்பநிலையும் அழுத்தமும் ஏற்கனவே மிக அதிகமாக இருப்பதால், டீசல் சிலிண்டருக்குள் தெளிக்கப்படும்போது, ​​அது உடனடியாகப் பற்றிக்கொள்கிறது. ஸ்பார்க் பிளக் தேவையில்லை. கீழே உள்ள வரைபடத்தில் காட்டப்பட்டுள்ள அழுத்த மதிப்பைக் கவனியுங்கள். அதை ஓட்டோ சுழற்சி வரைபடத்தில் காட்டப்பட்டுள்ள அழுத்த மதிப்புடன் ஒப்பிடுங்கள் .

இந்த வரைபடம் ஒரு சிறந்த டீசல் சுழற்சியைக் காட்டுகிறது. தொடக்கத்தில், காற்று வெப்பப்பரிமாற்றமின்றி அமுக்கப்படுகிறது (a-b), பின்னர் மாறா அழுத்தத்தில் வெப்பப்படுத்தப்படுகிறது – இன்ஜெக்டர் டீசலைத் தெளித்து எரிதல் நிகழ்கிறது (b-c), எரிந்த வாயு வெப்பப்பரிமாற்றமின்றி விரிவடைகிறது (c-d), மாறா கனஅளவில் குளிர்வடைகிறது – எரிந்த வாயு வெளியேற்றுக் குழாய் வழியாக வெளியேற்றப்பட்டு, புதிய காற்று உருளைக்குள் நுழைகிறது (d-a).

மேற்கண்ட விளக்கத்தின் அடிப்படையில், ஒவ்வொரு வெப்ப இயந்திரமும் அடிப்படையில் ஒரு குறிப்பிட்ட வேலைப் பொருளைக் கொண்டுள்ளது என்று முடிவு செய்யலாம். ஒரு நீராவி இயந்திரத்தின் வேலைப் பொருள் நீர், ஒரு பெட்ரோல் இயந்திரத்தின் வேலைப் பொருள் காற்று மற்றும் பெட்ரோல் நீராவி, ஒரு டீசல் இயந்திரத்தின் வேலைப் பொருள் காற்று மற்றும் டீசல் ஆகும். வேலைப் பொருள் பொதுவாக அதிக வெப்பநிலையில் (Q _H ) வெப்பத்தை உறிஞ்சி, வேலை (W) செய்து, பின்னர் மீதமுள்ள வெப்பத்தை குறைந்த வெப்பநிலையில் (Q _L ) வெளியிடுகிறது. ஆற்றல் பாதுகாக்கப்படுவதால், Q _H = W + Q _L ஆகும்.

வெப்ப இயந்திரத்தின் செயல்திறன்

ஒரு வெப்ப இயந்திரத்தின் செயல்திறன் (e) என்பது, அந்த இயந்திரத்தால் செய்யப்படும் வேலைக்கும் (W) உயர் வெப்பநிலையில் உள்ளீடாகும் வெப்பத்திற்கும் (Q _H ) இடையேயான விகிதமாகும். கணிதரீதியாக, இதை இவ்வாறு எழுதலாம்:

W என்பது நாம் பெறும் இலாபம், அதேசமயம் QH _{என்பது} எரிபொருளை வாங்கி எரிப்பதற்கு நாம் செய்யும் செலவு. முடிந்தவரை அதிகபட்ச இலாபத்தையும், முடிந்தவரை குறைந்தபட்ச செலவையும் பெற எப்போதும் விரும்பும் மனிதர்களாகிய நாம், நாம் பெறும் இலாபம் (W), நாம் செய்யும் செலவுக்கு (QH) ஏற்றதாக இருக்க வேண்டும் என்று உண்மையாகவே நம்புகிறோம். அது சாத்தியமா?

ஆற்றல் அழிவின்மை விதியின்படி, உள்ளீட்டு வெப்பம் (Q _H ) என்பது செய்யப்பட்ட வேலை (W) மற்றும் வெளியிடப்பட்ட வெப்பம் (Q _L ) ஆகியவற்றின் கூட்டுத்தொகைக்குச் சமமாக இருக்க வேண்டும். கணிதரீதியாக:

ஒரு வெப்ப இயந்திரத்தின் செயல்திறனை சதவீதத்தில் வெளிப்படுத்த, செயல்திறன் சமன்பாட்டை 100% ஆல் பெருக்கினால் போதும். மேலே உள்ள செயல்திறன் சமன்பாட்டின் அடிப்படையில், ஒரு வெப்ப இயந்திரத்தால் எவ்வளவு அதிகமாக வெப்பம் வெளியேற்றப்படுகிறதோ (Q _{L ), அவ்வளவு குறைவாக அதன் செயல்திறன் இருக்கும். முடிந்தவரை மிகக் குறைந்த அளவு வெப்பம் (Q L} ) வெளியேற்றப்படுவதையே நாம் பெரிதும் விரும்புவோம் . இருப்பினும், வெப்ப உள்ளீடு (Q _H ) பொதுவாக எண்ணெய், நிலக்கரி, எரிவாயு போன்றவற்றை (நாம் பணம் கொடுத்து வாங்கும் எரிபொருட்கள்) எரிப்பதன் மூலம் பெறப்படுகிறது.

எனவே, ஒவ்வொரு வெப்ப இயந்திரமும் அடிப்படையில் முடிந்தவரை திறமையாகச் செயல்படும் வகையில் வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது. குறைந்தபட்ச செலவில் அதிகபட்சப் பலனைப் பெற நாம் விரும்பினாலும், நீராவி இயந்திரங்கள் பொதுவாக சுமார் 40% செயல்திறன் கொண்டவையாகவும், உள் எரிப்பு இயந்திரங்கள் சுமார் 50% செயல்திறன் கொண்டவையாகவும் உள்ளன என்பதே யதார்த்தம். இதன் பொருள், எரிபொருளை எரிப்பதால் உருவாகும் வெப்பத்தில் பாதி வீணாகிறது. அதில் பாதி மட்டுமே இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது.

உதாரணக் கேள்வி 1:

ஒரு வெப்ப இயந்திரம் 3000 ஜூல் வெப்பத்தை (Q _H ) உறிஞ்சி, வேலை (W) செய்து, 2500 ஜூல் வெப்பத்தை (Q _L ) வெளியிடுகிறது. அந்த வெப்ப இயந்திரத்தின் செயல்திறன் என்ன?

கலந்துரையாடல்

உதாரணக் கேள்வி 2:

ஒரு வெப்ப இயந்திரம் 3000 ஜூல் வெப்பத்தை (Q _H ) உறிஞ்சி, வேலை (W) செய்து, 2000 ஜூல் வெப்பத்தை (Q _L ) வெளியிடுகிறது. அந்த வெப்ப இயந்திரத்தின் செயல்திறன் என்ன?

கலந்துரையாடல்

உதாரணக் கேள்வி 3:

ஒரு வெப்ப இயந்திரம் 3000 ஜூல் வெப்பத்தை (Q _H ) உறிஞ்சி, வேலை (W) செய்து, 1500 ஜூல் வெப்பத்தை (Q _L ) வெளியிடுகிறது. அந்த வெப்ப இயந்திரத்தின் செயல்திறன் என்ன?

கலந்துரையாடல்