Татбиқи Қонуни дуюми термодинамика ба муҳаррикҳои гармӣ
Муҳаррики гармӣ яке аз муҳимтарин ихтироот дар таърихи технология аст, зеро он ба одамон имкон дод, ки энергияи гармиро ба кори муфиди механикӣ табдил диҳанд. Аз муҳаррикҳои буғии Инқилоби саноатӣ то турбинаҳои газӣ ва муҳаррикҳои сӯзиши дохилӣ дар мошинҳои муосир, мафҳуми асосии муҳаррики гармӣ бетағйир боқӣ мемонад: манбаи гармӣ, гармкунак ва кори истеҳсолшуда. Аммо оё ҳама гармиро 100% ба кор табдил додан мумкин аст? Чаро ҳамеша "талафот"-ҳои ногузир вуҷуд доранд? Ҷавоб дар Қонуни дуюми термодинамика аст. Ин қонун на танҳо як қоидаи назариявӣ, балки як маҳдудияти асосӣ аст, ки муайян мекунад, ки муҳаррики гармӣ то чӣ андоза самаранок кор карда метавонад ва он бояд чӣ гуна тарҳрезӣ карда шавад.
Шарҳи мухтасари муҳаррикҳои гармӣ
Ба таври оддӣ, муҳаррики гармӣ системаест, ки барои табдил додани қисме аз энергияи гармии воридшаванда ба кор ба таври даврӣ кор мекунад. Дар як давра, муҳаррик гармиро аз зарфи гарм (масалан, сӯзиши сӯзишворӣ ё реактори ҳастаӣ) ҷаббида мегирад, кор истеҳсол мекунад (масалан, гардиши меҳвар) ва сипас гармии боқимондаро ба зарфи хунук (масалан, ҳавои беруна ё оби хунуккунӣ) мефиристад. Ин се унсур - зарфи гарм, муҳаррик ва зарфи хунук - ҳамеша дар муҳаррики гармии воқеӣ мавҷуданд.
Агар мо аз нотатсияи умумӣ истифода барем:
– Мошин гармиро аз манбаи гармӣ ба андозаи Qₕ (вуруди гармӣ) фурӯ мебарад.
– Мошин кори В-ро иҷро мекунад.
– Мошин гармиро ба муҳити зист ё манбаи хунук ба миқдори Q𝑐 хориҷ мекунад.
Мувофиқи Қонуни якуми термодинамика (нигоҳдории энергия), қонуни зерин татбиқ мешавад:
Qₕ = W + Q𝑐
Ин маънои онро дорад, ки кори истеҳсолшуда фарқи байни гармии воридшуда ва гармии аз даст рафта аст. Аммо, Қонуни якум шарҳ намедиҳад, ки чаро Q𝑐 наметавонад сифр бошад. Дар ин ҷо Қонуни дуюм нақши муҳим мебозад.
Изҳороти Қонуни дуюми термодинамика
Қонуни дуюми термодинамикаро метавон дар якчанд шаклҳои баробар баён кард, аммо ду изҳороте, ки барои муҳаррикҳои гармӣ бештар мувофиқанд, инҳоянд:
1. Изҳороти Келвин-Планк:
Сохтани муҳаррики гармие, ки дар як давра кор мекунад ва тамоми гармии аз як зарф ҷаббидашударо ба кор табдил медиҳад, бе он ки гармиро ба зарфи дигар интиқол диҳад, ғайриимкон аст.
Ба ибораи дигар, самаранокии 100% доштани муҳаррики гармӣ ғайриимкон аст.
2. Изҳороти Клаузиус:
Интиқоли гармӣ аз як чизи хунук ба як чизи гарм бе кори беруна ғайриимкон аст.
Ин шарҳ медиҳад, ки чаро яхдонҳо/кондитсионерҳо ба энергияи барқӣ ниёз доранд: барои "маҷбур кардани" гармӣ бар зидди самти табиии он.
Ҳарду изҳорот дар асл як принсипро тавсиф мекунанд: равандҳои табиӣ самт (бебозгашт) доранд ва барои табдили энергияи гармӣ ба энергияи муфид маҳдудиятҳои асосӣ мавҷуданд.
Энтропия ва самти раванд
Мафҳуми калидӣ, ки аз Қонуни дуюм бармеояд, энтропия (S) аст, ки миқдоре, ки аксар вақт ҳамчун ченаки тақсимоти энергия ё дараҷаи бетартибӣ фаҳмида мешавад, гарчанде ки таърифи термодинамикии он расмӣтар аст. Барои раванди баргардонидашаванда, тағирёбии энтропия чунин муайян карда мешавад:
dS = δQ_rev / T
Қонуни дуюм мегӯяд, ки барои системаи ҷудогона энтропияи умумӣ ҳеҷ гоҳ кам намешавад:
Ҷамъи ΔS ≥ 0
Дар шароити муҳаррики гармӣ, вақте ки гармӣ аз манбаи гарм ба манбаи хунук мегузарад, энтропияи умумӣ майл ба афзоиш дорад. Барои он ки муҳаррик кор кунад, он ин "ҷараён"-и энергияи гармиро истифода мебарад, аммо он бояд ба талаботе, ки энтропияи умумӣ набояд кам шавад, ҷавобгӯ бошад. Дар натиҷа, бояд як қисми гармӣ ҳамеша ба зарфи хунук рад карда шавад. Ин радкунӣ на танҳо як талафоти техникӣ, балки як талаботи асосӣ барои қонеъ кардани талаботи энтропия мебошад.
Самаранокии муҳаррики гармӣ ва маҳдудияти Карно
Самаранокии гармии муҳаррики гармӣ ҳамчун нисбати кори истеҳсолшуда ба гармии аз манбаи гармӣ ҷаббидашуда муайян карда мешавад:
η = W / Qₕ = (Qₕ − Q𝑐) / Qₕ = 1 − (Q𝑐 / Qₕ)
Қонуни дуюм арзиши максималии η-ро маҳдуд мекунад. Муҳаррики гармии аз ҷиҳати назариявӣ самараноктарин муҳаррики Карно мебошад, ки муҳаррики идеалӣ аст, ки дар ҳарорати Tₕ (гарм) ва T𝑐 (хунук) дар Келвин байни ду обанбор баръакс кор мекунад. Самаранокии максималии Карно бо формулаи зерин дода мешавад:
η_Карно = 1 - (T𝑐 / Tₕ)
Ин формула ду чизи муҳимро нишон медиҳад:
1. Самаранокии максималӣ танҳо аз ҳарорати зарф вобаста аст, на аз намуди моеъи корӣ ё тафсилоти тарҳи муҳаррик.
2. Барои баланд бардоштани самаранокӣ, мо бояд Tₕ-ро зиёд кунем ё T𝑐-ро кам кунем. Аммо, ҳарду аз рӯи мавод, бехатарӣ, арзиш ва шароити муҳити зист маҳдуданд.
Мисол: агар Tₕ = 900 K ва T𝑐 = 300 K бошад, пас:
η_Карно = 1 - 300/900 = 1 - 1/3 = 0,667 (66,7%)
Ин ҳадди беҳтарин аст. Муҳаррикҳои воқеӣ аз сабаби соиш, талафоти гармӣ, сӯзиши нопурра ва дигар омилҳои бебозгашт самаранокии пасттар хоҳанд дошт.
Бебозгашт дар мошинҳои воқеӣ
Қонуни дуюм инчунин шарҳ медиҳад, ки чаро муҳаррикҳои воқеӣ ҳеҷ гоҳ самаранокии Карноро ба даст намеоранд. Сабаби асосӣ бебозгашт аст, ки равандест, ки энтропияро ба вуҷуд меорад. Баъзе аз манбаъҳои бебозгашт дар муҳаррикҳои гармӣ инҳоянд:
– Соиши механикӣ дар валҳо, подшипникҳо ва ҷузъҳои ҳаракаткунанда.
– Интиқоли гармӣ тавассути фарқияти калони ҳарорат, масалан, гармӣ аз камераи сӯзиши хеле гармтар ба моеъи корӣ; ин намуди интиқол нисбат ба раванди идеалӣ энтропияи бештарро ба вуҷуд меорад.
– Турбулентӣ ва талафоти фишор дар ҷараёни моеъ дар қубурҳо, клапанҳо ва турбинаҳо.
– Омезиши бебозгашти газ ва ҳаво ё маҳсулоти сӯзиш.
– Худи сӯзиш раванди хеле бебозгашт аст.
Ҳамаи ин чизҳо энтропияи умумиро зиёд мекунанд ва потенсиали истеҳсоли корро «истифода» мебаранд, аз ин рӯ самаранокӣ коҳиш меёбад.
Истифода дар муҳаррикҳои сӯзиши дохилӣ ва нерӯгоҳҳои барқии буғӣ
Дар муҳаррикҳои дарунсӯз (масалан, муҳаррикҳои бензинӣ ва дизелӣ), манбаи гармӣ аз реаксияи сӯзиш дар дохили силиндр ба вуҷуд меояд. Муҳаррик ҳангоми сӯзиш гармиро (самаранок) дар ҳарорати баланд ҷаббида мегирад, сипас гармиро тавассути газҳои ихроҷ ва системаи хунуккунӣ (радиатор) рад мекунад. Қонуни дуюм шарҳ медиҳад, ки чаро муҳаррикҳои воситаҳои нақлиёт мунтазам миқдори зиёди гармии партовро истеҳсол мекунанд: табдил додани тамоми энергияи сӯзишворӣ ба кори чоҳи муҳаррик ғайриимкон аст.
Дар нерӯгоҳи буғӣ (PLTU), об ба буғи фишори баланд гарм карда мешавад, то турбинаро ба кор дарорад. Пас аз гузаштан аз турбина, буғ дар конденсатор хунук карда мешавад, то ба об баргардад ва дубора бо насос пур карда шавад. Ин конденсатор ҳамчун захираи хунук амал мекунад. Бисёриҳо конденсаторро "исрофи энергия" мешуморанд, аммо аз нигоҳи термодинамикӣ, парокандагии гармӣ барои идомаи давра ва вайрон накардани энтропияи умумӣ Қонуни дуюм шарти зарурӣ аст. Аз ин рӯ, PLTU-ҳо одатан дар наздикии манбаъҳои калони об барои хунуккунӣ сохта мешаванд ё аз бурҷҳои хунуккунӣ истифода мебаранд.
Стратегияҳои беҳтар кардани самаранокӣ дар асоси Қонуни дуюм
Азбаски Қонуни дуюм маҳдудиятҳоро муқаррар мекунад, такмили муҳаррикҳои гармӣ ба коҳиш додани бебозгаштӣ ва васеъ кардани диапазони ҳарорати муассир нигаронида шудааст. Баъзе стратегияҳои маъмул инҳоянд:
– Гармкунии аз ҳад зиёд ва аз нав гармкунӣ дар давраи Ранкин (PLTU) барои баланд бардоштани ҳарорати вуруди турбина.
– Регенератсия (гармкунаки оби ғизоӣ) барои истифодаи гармии партов барои гарм кардани оби ғизоӣ, кам кардани талаботи гармии дегхона.
– Давраи омехта (давраи газ-буғии омехта), ки дар он гармии ихроҷшуда аз турбинаи газ барои тавлиди буғе истифода мешавад, ки турбинаи буғиро ба ҳаракат медарорад. Ин истифодаи энергияи гармиро беҳтар мекунад ва системаро ба ҳадди баландтари самаранокии он наздик мекунад.
– Маводҳои беҳтаршуда, то ки ҷузъҳо дар ҳарорати баландтар бе осеб кор кунанд ва бо ин васила Tₕ-ро зиёд кунанд.
– Кам кардани талафоти соиш ва ҷараён тавассути тарҳи аэродинамикии турбина, равғани беҳтар ва беҳсозии масири моеъ.
Ҳамаи ин кӯшишҳо асосан татбиқи амалии Қонуни дуюм мебошанд: идоракунии энтропия ва коҳиш додани истеҳсоли энтропия, то ки энергияи гармии бештар ба кор табдил дода шавад.
Хулоса
Татбиқи Қонуни дуюми термодинамика ба муҳаррикҳои гармӣ як ҳадди асосиеро ошкор мекунад, ки аз он гузаштан аз он ҳеҷ як технология наметавонад бартараф кунад: ҳеҷ як муҳаррик наметавонад тамоми гармиро дар як давра ба кор табдил диҳад. Мавҷудияти обанборҳои хунук ва гармкунакҳо на танҳо як камбудии тарроҳӣ, балки натиҷаи мустақими самти табиии раванд ва афзоиши энтропия мебошад. Тавассути мафҳумҳои самаранокӣ, ҳадди Карно ва таҳлили бебозгаштӣ, Қонуни дуюм роҳнамои асосиро барои тарҳрезии муҳаррикҳои самараноктар - аз муҳаррикҳои автомобилӣ то нерӯгоҳҳои калонҳаҷм пешниҳод мекунад. Бо дарки Қонуни дуюм, мо на танҳо медонем, ки "чаро самаранокӣ маҳдуд аст", балки инчунин медонем, ки муҳаррикҳои гармиро ба кори оптималии аз ҷониби табиат иҷозатдодашуда наздиктар кунем.
