கார்னோ இயந்திர சுழற்சி பற்றிய கட்டுரை
வெப்ப இயந்திரத்தின் செயல்திறனை எவ்வாறு அதிகரிப்பது என்பதைக் கண்டறிய, ஒரு பிரெஞ்சு விஞ்ஞானி சாதி கார்னோட் (1796-1832) 1824-ல் ஒரு இலட்சிய வெப்ப இயந்திரத்தைக் கோட்பாட்டு ரீதியாக ஆய்வு செய்தார். அக்காலத்தில், வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியோ, இரண்டாம் விதியோ உருவாக்கப்பட்டிருக்கவில்லை. வெப்பம் என்பது ஆற்றல் என்பதை விஞ்ஞானிகள் இன்னும் அறியாததால் முதல் விதி உருவாக்கப்படவில்லை. 1830-களில் ஜூல் மற்றும் அவரது நண்பர்கள் சோதனைகளை நடத்திய பிறகு, வெப்பநிலை வேறுபாடுகளால் கடத்தப்படும் ஆற்றலே வெப்பம் என்பதை விஞ்ஞானிகள் உறுதியாக அறிந்தனர். எனவே, வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதி 1830-க்குப் பிறகே உருவாக்கப்பட்டது. சாடி கார்னோ 1824-ல் ஒரு இலட்சிய வெப்ப இயந்திரத்தைக் கோட்பாட்டு ரீதியாக ஆய்வு செய்திருந்தார். அவர் செய்த ஆராய்ச்சி, அக்காலத்தில் ஏற்கனவே பயன்பாட்டில் இருந்த நீராவி இயந்திரங்களின் செயல்திறனை அதிகரிப்பதற்காகவே இருந்தது. அக்காலத்தில் பெரும்பாலான நீராவி இயந்திரங்கள் குறைந்த செயல்திறன் கொண்டவையாக இருந்தன.
சாடி கார்னோவால் உருவாக்கப்பட்ட ஒரு சிறந்த வெப்ப இயந்திரத்தில் உள்ள சுழற்சி, கார்னோ சுழற்சி என்று அழைக்கப்படுகிறது. கார்னோ சுழற்சியைப் பற்றி அறிந்துகொள்வதற்கு முன், மீளா செயல்முறைகளைப் புரிந்துகொள்வது உதவியாக இருக்கும். இயற்கையாக நிகழும் ஒவ்வொரு ஆற்றல் மாற்றமும் பரிமாற்றமும் பொதுவாக மீளா செயல்முறையாகும். உதாரணமாக, நாம் நம் கைகளை ஒன்றாகத் தேய்த்தால், அவை சூடாக இருப்பதை உணர்கிறோம். இந்த நிலையில், நாம் செய்யும் வேலையின் மூலம் வெப்பம் உருவாகிறது. இந்த செயல்முறை மீளா செயல்முறையாகும். நம் கைகளை ஒன்றாகத் தேய்ப்பதால் உருவாகும் வெப்பத்தால், தானாகவே வேலையைச் செய்ய முடியாது. ஒரு வெப்ப இயந்திரத்தின் நோக்கம், இந்த செயல்முறையை ஓரளவு மீளச் செய்வதாகும், இதன் மூலம் அந்த வெப்பத்தை மிக உயர்ந்த செயல்திறனுடன் வேலையைச் செய்யப் பயன்படுத்த முடியும். ஒரு வெப்ப இயந்திரம் அதிகபட்ச செயல்திறனை அடைய, நாம் அனைத்து மீளா செயல்முறைகளையும் தவிர்க்க வேண்டும். இயற்கையாக நிகழும் வெப்பப் பரிமாற்றம் பொதுவாக மீளா செயல்முறையாகும், எனவே வெப்பப் பரிமாற்றத்தைத் தடுக்க முயற்சிகள் மேற்கொள்ளப்படுகின்றன.
இயந்திரம் வெப்பமடையும் போது QH அதிக வெப்பநிலை உள்ள இடங்களில் (TH), இயந்திரத்தில் உள்ள செயல்படும் பொருளும் T என்ற வெப்பநிலையில் இருக்க வேண்டும்.Hஅதேபோல், இயந்திரம் Q வெப்பத்தை அகற்றினால்L குறைந்த வெப்பநிலை உள்ள இடங்களில் (TL), இயந்திரத்தில் உள்ள செயல்படும் பொருளும் T என்ற வெப்பநிலையில் இருக்க வேண்டும்.Lஎனவே, வெப்பப் பரிமாற்றத்தை உள்ளடக்கிய ஒவ்வொரு செயல்முறையும் ஐசோதெர்மலாக (ஒரே வெப்பநிலை) இருக்க வேண்டும். இதற்கு நேர்மாறாக, இயந்திரத்தில் உள்ள வேலை செய்யும் பொருளின் வெப்பநிலை T-க்கு இடையில் இருந்தால்,H மற்றும் டிLஇயந்திரத்திற்கும் T என்ற வெப்பநிலை கொண்ட இடத்திற்கும் இடையில் வெப்பப் பரிமாற்றம் இருக்கக்கூடாது.H (வெப்பத்தை வழங்குபவர்) மற்றும் T என்ற வெப்பநிலையைக் கொண்ட ஓர் இடம்.L (அகற்றுதல்). வெப்பம் வெளியேறாமல் இருப்பதற்காக, இந்த செயல்முறை வெப்பம் மாறாமல் மேற்கொள்ளப்பட வேண்டும்.
கார்னோ சுழற்சியானது உண்மையில் இரண்டு மீளக்கூடிய சமவெப்ப செயல்முறைகளையும் இரண்டு மீளக்கூடிய வெப்பமாறா செயல்முறைகளையும் கொண்டுள்ளது.
வலதுபுறத்தில் உள்ள படம் ஒரு இலட்சிய வாயுவிற்கான கார்னோ சுழற்சியைக் காட்டுகிறது. தொடக்கத்தில், சமவெப்ப விரிவின் போது (a-b) வெப்பம் உறிஞ்சப்படுகிறது. சமவெப்ப விரிவின் போது, உருளையில் உள்ள வாயுவின் வெப்பநிலை மாறாமல் பராமரிக்கப்படுகிறது.
அடுத்து, வாயு வெப்பப்பரிமாற்றமின்றி விரிவடைவதால் அதன் வெப்பநிலை T-யிலிருந்து குறைகிறது.H T ஆக மாறுங்கள்L (b‐c). TH = உயர் வெப்பநிலை (High temperature), TL = குறைந்த வெப்பநிலை. வெப்பமாறா விரிவின் போது, உருளைக்குள் வெப்பம் நுழைவதோ வெளியேறுவதோ இல்லை. அதன்பிறகு, வாயு சமவெப்பநிலையில் (c-d) அமுக்கப்படுகிறது. சமவெப்பநிலை அமுக்கத்தின் போது, வாயுவின் வெப்பநிலை மாறாமல் வைக்கப்படுகிறது. அடுத்து, வாயு வெப்பமாறா முறையில் (d-a) அமுக்கப்படுகிறது. இது வெப்பமாறா முறையில் அமுக்கப்படுவதால், வாயுவின் வெப்பநிலை அதிகரிக்கிறது. வாயுவின் வெப்பநிலை அதிகரிப்பதால், வாயுவின் அழுத்தமும் அதிகரிக்கிறது. கார்னோ சுழற்சியில் உள்ள அனைத்து செயல்முறைகளும் மீள்வினைகளாகும்.
சமவெப்ப விரிவு மற்றும் சுருக்கத்தின் போது, வாயுவின் வெப்பநிலை மாறாமல் பராமரிக்கப்படுகிறது. வெப்பநிலை வேறுபாடுகளைத் தவிர்ப்பதே இதன் நோக்கம். வெப்பநிலை வேறுபாடுகள் வெப்பப் பரிமாற்றத்தை (ஒரு மீளா செயல்முறை) ஏற்படுத்தக்கூடும். ஒரு சமவெப்ப செயல்முறை நிகழ்வதற்கு (வாயுவின் வெப்பநிலையை மாறாமல் வைத்திருக்க), வாயு மெதுவாக விரிவடையவோ அல்லது சுருக்கப்படவோ வேண்டும். உண்மையில், வாயுவின் விரிவு அல்லது சுருக்கம் மிக வேகமாக நிகழ்கிறது. இதற்குக் காரணம் கொந்தளிப்பு (பாய்ம இயக்கவியல் தலைப்பை நினைவில் கொள்க), உராய்வு, பாகுத்தன்மை போன்றவை ஆகும். இதன் விளைவாக, ஒரு முழுமையான சமவெப்ப செயல்முறை ஒருபோதும் இருக்காது. மாறாக, வெப்பமாறா விரிவு மற்றும் சுருக்கம் வேகமாக நிகழ்கின்றன.
உருளைக்குள் அல்லது அதிலிருந்து வெப்பம் வெளியேறுவதைத் தடுப்பதே இதன் நோக்கம். உராய்வு, பாகுத்தன்மை மற்றும் பிற காரணிகள் முழுமையான வெப்பமாறா விரிவடைதலையும் சுருங்குதலையும் தடுக்கின்றன. கார்னோ இயந்திரம் முற்றிலும் கோட்பாட்டு ரீதியானது; அது நமது அன்றாட வாழ்வில் இல்லை என்பதைக் கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும். கோட்பாட்டு ரீதியாக இருந்தாலும், கார்னோ இயந்திரம் வெப்ப இயக்கவியலின் வளர்ச்சிக்கு குறிப்பிடத்தக்க பங்களிப்பை வழங்குகிறது. குறைந்தபட்சம், இந்தச் செயல்பாட்டின் போது ஏற்படக்கூடிய மீளா செயல்முறைகளை நம்மால் கண்டறிந்து, அவற்றைக் குறைக்க முயற்சிப்பதன் மூலம், நாம் வடிவமைத்த வெப்ப இயந்திரத்தின் செயல்திறனை அதிகரிக்க முடியும்.
கார்னோ இயந்திரத்தின் மிக முக்கியமான முடிவு என்னவென்றால், ஒரு முழுமையான வெப்ப இயந்திரத்திற்கு, பெறப்பட்ட வெப்பம் (Q)H) என்பது வெப்பநிலை T க்கு விகிதாசாரமாகும்.H மற்றும் வெளியிடப்பட்ட வெப்பம் (QL) என்பது வெப்பநிலை T க்கு விகிதாசாரமாகும்.Lஎனவே, ஒரு முழுமையான வெப்ப இயந்திரத்தின் செயல்திறன்:
உதாரணக் கேள்வி 1:
ஒரு நீராவி இயந்திரம் 500 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் இயங்குகிறது. oசி மற்றும் 300 oC. நீராவி இயந்திரத்தின் சிறந்த செயல்திறனை (கார்னோ செயல்திறன்) கண்டறியவும்.
கலந்துரையாடல்
வெப்பநிலையை கெல்வின் அளவுகோலுக்கு மாற்ற வேண்டும்.
TH (உயர் வெப்பநிலை) = 500 oC = 500 + 273 = 773 K
TL (குறைந்த வெப்பநிலை) = 300 oC = 300 + 273 = 573 K
500°C முதல் 1000°C வரையிலான வெப்பநிலைகளில் இயங்கும் ஒரு முழுமையான வெப்ப இயந்திரத்தின் சிறந்த செயல்திறன் அல்லது செயல்திறன். oசி மற்றும் 300 oC என்பது 26%. நாம் அன்றாட வாழ்வில் பயன்படுத்தும் இயந்திரங்கள் 500°C மற்றும் 500°C வெப்பநிலைகளுக்கு இடையில் இயங்கினால்... oசி மற்றும் 300 oC, இயந்திரம் அடையக்கூடிய அதிகபட்ச செயல்திறன் பொதுவாக இலட்சிய செயல்திறனான (18,2%) சுமார் 0,7 மடங்கு ஆகும்.
உதாரணக் கேள்வி 2:
ஒரு வெப்ப இயந்திரம் 300°C வெப்பநிலையில் 600 ஜூல் (Q) வெப்பத்தைப் பெறுகிறது. oC, 100°C வெப்பநிலையில் 100 ஜூல் வேலை (W) செய்து 500 ஜூல் ஆற்றலைச் சிதறடிக்கிறது. oC. இந்த இயந்திரத்தின் உண்மையான செயல்திறன் மற்றும் இலட்சிய செயல்திறனை (கார்னோ செயல்திறன்) கண்டறியவும்…
கலந்துரையாடல்
வெப்பநிலையை கெல்வின் அளவுகோலுக்கு மாற்ற வேண்டும்.
TH (உயர் வெப்பநிலை) = 300 oC ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
TL (குறைந்த வெப்பநிலை) = 100 oC ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
இயந்திர செயல்திறன்:
300°C முதல் 1000°C வரையிலான வெப்பநிலைகளில் இயங்கும் ஒரு முழுமையான வெப்ப இயந்திரத்தின் சிறந்த செயல்திறன் அல்லது செயல்திறன். oசி மற்றும் 100 oC என்பது 35%. இயந்திரம் அடையக்கூடிய அதிகபட்ச செயல்திறன் பொதுவாக இலட்சிய செயல்திறனின் சுமார் 0,7 மடங்கு ஆகும் = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = வேலை செய்யப் பயன்படுத்தக்கூடிய 147 J வெப்பம்).
இந்த இயந்திரத்தின் உண்மையான செயல்திறன் 17% ஆகும் (வேலை செய்வதற்கு 100 J வெப்பம் மட்டுமே பயன்படுத்தப்படுகிறது). வேலை செய்வதற்குப் பயன்படுத்தக்கூடிய வெப்பம் இன்னும் சுமார் 147 J – 100 J = 47 J உள்ளது. நமக்கு ஏற்படும் இழப்புகளைக் குறைப்பதற்காக இந்த இயந்திரத்தின் செயல்திறனை அதிகரிக்க முடிந்தால் நன்றாக இருக்கும்.
உதாரணக் கேள்வி 3:
ஒரு இயந்திரம் ஒவ்வொரு சுழற்சியிலும் 1000 ஜூல் வெப்பத்தைப் பெற்று, 400 ஜூல் வேலையை உருவாக்குகிறது. அந்த இயந்திரம் 500-க்கும் மேற்பட்ட சுழற்சி வேகங்களில் இயங்குகிறது. oசி மற்றும் 200 oC. இந்த இயந்திரத்தின் உண்மையான செயல்திறன் மற்றும் இலட்சிய செயல்திறன் என்ன?
கலந்துரையாடல்
TH (உயர் வெப்பநிலை) = 500 oC ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
TL (குறைந்த வெப்பநிலை) = 200 oC ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
இயந்திர செயல்திறன்:
இந்த இயந்திரத்தின் உகந்த செயல்திறன்:
கார்னோ செயல்திறன் என்றும் அழைக்கப்படும் இலட்சிய செயல்திறன் 40% ஆகும். உண்மையான இயந்திர செயல்திறன் 60% ஆகும். அப்படிப்பட்ட ஒரு இயந்திரம் இல்லை. ஒரு இயந்திரத்தின் செயல்திறன் கார்னோ செயல்திறனை விட அதிகமாக இருப்பது சாத்தியமற்றது.
உதாரணக் கேள்வி 4:
கார்னோட் இயந்திரத்தின் செயல்திறன் 100% (1) ஐ அடைய, வெளியேற்ற வெப்பநிலை (T) என்ன?Lதேவைப்படுகிறதா?
கலந்துரையாடல்
ஒரு முழுமையான வெப்ப இயந்திரத்தின் செயல்திறன் 100% ஐ எட்டுவதற்கு (உள்ளீட்டு வெப்பம் அனைத்தும் வேலை செய்யப் பயன்படுத்தப்பட வேண்டும்), வெளியேற்ற வெப்பநிலை (T)L) 0 கெல்வின் ஆக இருக்க வேண்டும்.
0 கெல்வின் வெப்பநிலையை அடைவது சாத்தியமற்றது. இந்தக் கூற்று வெப்ப இயக்கவியலின் மூன்றாவது விதியாகும்.
பூஜ்ஜியம் கெல்வின் வெப்பநிலையை அடைவது சாத்தியமற்றது என்பதால், ஒரு குறைபாடற்ற வெப்ப இயந்திரத்தால் 100% செயல்திறனைக் கொண்டிருக்கவே முடியாது. ஒரு குறைபாடற்ற வெப்ப இயந்திரத்தால் கூட 100% செயல்திறனைக் கொண்டிருக்க முடியாது; நாம் அன்றாட வாழ்வில் பயன்படுத்தும் வெப்ப இயந்திரங்களைப் பற்றிச் சொல்லவே தேவையில்லை.
ஒரு வெப்ப இயந்திரத்தால் 100% செயல்திறனை அடைய முடியாது என்பதால், உள்ளீட்டு வெப்பம் (Q) முழுவதையும் வெப்பமாக மாற்றுவது சாத்தியமற்றது என்று நாம் முடிவு செய்யலாம்.Hவேலை செய்வதற்குப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. சிறிதளவு வெப்ப இழப்பு (Q) இருக்க வேண்டும்.L).
ஒரு சுழற்சியில் இயங்கும் வெப்ப இயந்திரத்தால், அனைத்து வெப்பத்தையும் வேலையாக மாற்றுவது இயலாத காரியம் (வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதி – கெல்வின்-பிளாங்க் கூற்று).
மேலே உள்ள தடித்த சாய்வெழுத்து உரை, வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதியின் ஒரு சிறப்புக்கூற்றாகும். இது வெப்ப இயந்திரங்களுக்கு மட்டுமே பொருந்தும் என்பதால், இது ஒரு சிறப்புக்கூற்று என அழைக்கப்படுகிறது. கெல்வின் மற்றும் பிளாங்க் இதை உருவாக்கியதால், இது கெல்வின்-பிளாங்க் கூற்று என்றும் அழைக்கப்படுகிறது. மேலே உள்ள கூற்றில் "சுழற்சி" என்ற சொல் இருப்பதைக் கவனியுங்கள். சுழற்சி என்பது மீண்டும் மீண்டும் நிகழும் ஒரு செயல்முறையாகும். எனவே, ஒரு வெப்ப இயந்திரம் தொடர்ச்சியாக இயங்குகிறது. "சுழற்சி" என்ற சொல் சேர்க்கப்பட்டுள்ளது, ஏனெனில், உண்மையில், ஒரு செயல்முறை ஒரே ஒரு முறை நிகழ்ந்தால், அனைத்து வெப்பத்தையும் வேலையாக மாற்ற முடியும்.
வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியில், சமவெப்ப, சமஅழுத்த, சமகனஅளவு மற்றும் வெப்பமாறா செயல்முறைகள் உட்பட பல வெப்ப இயக்கவியல் செயல்முறைகள் விளக்கப்பட்டுள்ளன. ஒரு சமவெப்ப செயல்முறையில், அனைத்து வெப்பத்தையும் வேலையாக மாற்ற முடியும் (Q = W). இந்த செயல்முறை ஒரே ஒரு நிலையில் நடந்தால் இது சாத்தியமாகும். கீழே உள்ள படத்தைக் கவனிக்கவும்:
இந்த வரைபடம், ஒரே படிநிலையில் நிகழும் ஒரு சமவெப்ப செயல்முறையை (சமவெப்ப விரிவு) காட்டுகிறது. இந்த செயல்முறையில், அனைத்து வெப்பமும் (Q) வேலையாக (W) மாற்றப்படுகிறது. செய்யப்பட்ட வேலையின் அளவு = நிழலிடப்பட்ட பகுதி.
பயனுள்ளதாக இருக்க, ஒரு வெப்ப இயந்திரம் தொடர்ச்சியாக இயங்க வேண்டும் (இந்தச் செயல்முறை ஒரே படியில் அல்லாமல், மீண்டும் மீண்டும் நிகழ வேண்டும்). எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு முன்னும் பின்னுமாக இயங்கும் நீராவி இயந்திரம். ஒரு முன்னும் பின்னுமாக இயங்கும் நீராவி இயந்திரத்தில் உள்ள பிஸ்டன், சக்கரம் சுழலுவதற்காக (அதனைப் பயன்படுத்தி ஏதேனும் ஒன்றை நகர்த்த முடியும்) தொடர்ச்சியாக வலப்புறமும் இடப்புறமும் நகர வேண்டும். பிஸ்டன் மட்டும் சுழன்றால் சக்கரம் சுழல முடியாது. இது வலப்புறமாக மட்டுமே நகர்ந்து, பின்னர் நின்றுவிடுகிறது (இந்தச் செயல்முறை ஒரே ஒரு கட்டத்தில் மட்டுமே நிகழ்கிறது). இந்தச் செயல்முறை மீண்டும் மீண்டும் நிகழ்ந்தால் (பிஸ்டன் தொடர்ந்து வலப்புறமும் இடப்புறமும் நகர்ந்தால்), வெப்பம் முழுவதையும் வேலையாக மாற்றுவது சாத்தியமற்றது (கெல்வின்-பிளாங்கின் கூற்று). எடுத்துக்காட்டாக, மேலே உள்ள வரைபடத்தில் காட்டப்பட்டுள்ள சமவெப்பச் செயல்முறையைக் கருத்தில் கொள்வோம்.
இடதுபுற வரைபடம் சமவெப்ப விரிவையும் (கீழ்நோக்கிய அம்பு) சமவெப்ப அமுக்கத்தையும் (மேல்நோக்கிய அம்பு) காட்டுகிறது. இந்த செயல்முறை தொடர்ச்சியாக சமவெப்ப நிலையில் நடைபெறுகிறது (வேலை எதுவும் செய்யப்படுவதில்லை). வலதுபுற வரைபடம் சமவெப்ப விரிவையும் (கீழ்நோக்கிய அம்பு), சமஅழுத்த அமுக்கத்தையும் (இடது அம்பு), மற்றும் சமபரும செயல்முறையையும் (மேல்நோக்கிய அம்பு) காட்டுகிறது. இந்த இரண்டு வரைபடங்களிலிருந்தும், தொடர்ச்சியாக நடைபெறும் செயல்முறைகளில் (சுழற்சி), எப்போதும் வெப்ப இழப்பு இருக்கும் என்பது தெளிவாகிறது. இது முந்தைய கெல்வின்-பிளாங்க் கூற்றுடன் ஒத்துப்போகிறது.
