تھرموڈینامکس کا دوسرا قانون

تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کے بارے میں مضمون

قدرتی طور پر ہونے والے تمام عمل صرف ایک سمت میں ہوتے ہیں لیکن مخالف سمت میں نہیں ہو سکتے، جسے عام طور پر ناقابل واپسی عمل کہا جاتا ہے۔ اپنے تنے سے نکلنے اور آزادانہ طور پر زمین پر گرنے کے بعد، آم دوبارہ کبھی اوپر کی طرف نہیں بڑھتا۔ ایک کتاب جسے ہم دھکیلتے ہیں اور پھر رک جاتے ہیں کبھی ہماری طرف واپس نہیں آتے۔ اگر ہم کسی اعلی درجہ حرارت والی چیز (گرم آبجیکٹ) کو کم درجہ حرارت والی چیز (ٹھنڈی چیز) سے چھوتے ہیں تو قدرتی طور پر گرمی زیادہ درجہ حرارت والی چیز سے کم درجہ حرارت والی چیز کی طرف بہتی ہے۔ ہم کبھی بھی الٹا عمل نہیں دیکھتے، جہاں حرارت قدرتی طور پر کسی ٹھنڈی چیز سے گرم چیز کی طرف منتقل ہوتی ہے۔ اگر یہ عمل ہوا تو ٹھنڈی چیز ٹھنڈی ہو جائے گی جبکہ گرم چیز زیادہ گرم ہو جائے گی۔ لیکن حقیقت میں ایسا نہیں ہے۔ بہت سے ناقابل واپسی عمل ہیں جو ایک دوسرے سے مختلف معلوم ہوتے ہیں، لیکن ان سب میں توانائی کی شکل میں تبدیلیاں اور ایک چیز سے دوسری چیز میں توانائی کی منتقلی شامل ہے۔

مثال کے طور پر، ایک طاقتور زلزلہ آتا ہے جس کی وجہ سے عمارتیں گر جاتی ہیں (زلزلے کی لہروں کے ذریعے لے جانے والی توانائی کی وجہ سے عمارتیں گر جاتی ہیں)۔ کیا آپ نے کبھی منہدم ہونے والی عمارت کے ہر حصے کو ایک ساتھ آتے اور پہلے کی طرح سیدھے کھڑے ہوتے دیکھا ہے؟ یا، مثال کے طور پر، شیشہ فرش پر گرتا ہے اور ٹوٹ جاتا ہے... کیا آپ نے کبھی فرش پر بکھرے ہوئے شیشے کے ٹکڑوں کو ایک ساتھ مل کر ایک شیشہ بناتے ہوئے دیکھا ہے جو پہلے کی طرح مکمل ہو؟ کبھی نہیں ہوا... اور بھی بہت سی مثالیں ہیں۔

تھرموڈینامکس کے عمل کی وضاحت کرنے کے لیے جو صرف ایک سمت میں ہوتے ہیں (ناقابل واپسی عمل)، سائنسدانوں نے تھرموڈینامکس کا دوسرا قانون وضع کیا۔ تھرموڈینامکس کا دوسرا قانون بتاتا ہے کہ کائنات میں کون سے عمل ہو سکتے ہیں اور کون سے عمل نہیں ہو سکتے۔ ایک سائنسدان جس کا نام R.J.E. Clausius (1822-1888) نے مندرجہ ذیل بیان دیا:

حرارت خود بخود اعلی درجہ حرارت والی چیز سے کم درجہ حرارت والی چیز میں منتقل ہوتی ہے۔ حرارت خود بخود کم درجہ حرارت والی چیز سے زیادہ درجہ حرارت والی چیز کی طرف نہیں جائے گی (تھرموڈائینامکس کا دوسرا قانون – کلازیئس کا بیان)۔

Clausius کا بیان تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کا ایک خاص بیان ہے۔ اسے ایک خاص بیان کہا جاتا ہے کیونکہ یہ صرف ایک عمل پر لاگو ہوتا ہے، یعنی حرارت کی منتقلی۔ چونکہ یہ بیان دیگر عملوں سے متعلق نہیں ہے، ہمیں مزید عمومی بیان کی ضرورت ہے۔ تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کے عمومی بیان کی ترقی جزوی طور پر حرارت کے انجنوں کے مطالعہ پر مبنی تھی۔ لہذا، ہم سب سے پہلے گرمی کے انجن پر بات کریں گے.

ہیٹ انجن

زیادہ تر توانائی جو ہم استعمال کرتے ہیں وہ پٹرولیم، گیس اور کوئلے میں موجود کیمیائی ممکنہ توانائی سے آتی ہے۔ پٹرولیم، گیس، یا کوئلے میں موجود کیمیائی ممکنہ توانائی کو براہ راست استعمال نہیں کیا جا سکتا۔ پٹرولیم، گیس، یا کوئلہ سب سے پہلے جلانا چاہیے۔ عام طور پر، فوسل ایندھن (پیٹرولیم، گیس، اور کوئلہ) جلانے سے گرمی پیدا ہوتی ہے۔ گرمی کو کھانا پکانے اور کمرے کو گرم کرنے کے لیے براہ راست استعمال کیا جا سکتا ہے۔ کسی چیز کو حرکت دینے کے لیے (مثال کے طور پر، گاڑی کو حرکت دینے کے لیے)، ہمیں حرارت کو حرکی توانائی یا مکینیکل توانائی میں تبدیل کرنا چاہیے (مکینیکل انرجی = ممکنہ توانائی + حرکی توانائی)۔ مکینیکل توانائی کو حرارت میں تبدیل کرنا بہت آسان کام ہے لیکن حرارت کو مکینیکل توانائی میں تبدیل کرنا مشکل ہے۔ اپنی ہتھیلیوں کو ایک ساتھ رگڑنے کی کوشش کریں… آپ کی ہتھیلیاں گرم ہیں، ٹھیک ہے؟ جب ہم اپنی ہتھیلیوں کو ایک ساتھ رگڑتے ہیں (ہم کام کرتے ہیں) تو میکانکی توانائی حرارت میں تبدیل ہو جاتی ہے۔ عمل بہت آسان ہے… کام کرنے سے بھی لامحدود حرارت پیدا کی جا سکتی ہے۔ لیکن الٹا عمل، یعنی کام کرنے کے لیے حرارت کا استعمال، مشکل ہے۔

کام کرنے کے لیے حرارت کو استعمال کرنے کے لیے استعمال ہونے والا آلہ صرف 1700 میں ایجاد ہوا تھا۔ زیر بحث آلہ بھاپ کا انجن تھا۔ بھاپ کے انجن پہلے کوئلے کی کانوں سے پانی نکالنے کے لیے استعمال کیے گئے۔ یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ بھاپ کے انجنوں کا پہلا استعمال اس سے پہلے ہوا جب سائنسدانوں کو معلوم تھا کہ حرارت دراصل درجہ حرارت کے فرق کی وجہ سے منتقل ہونے والی توانائی ہے (تھرموڈائینامکس کا پہلا قانون ابھی تک وضع نہیں کیا گیا تھا)۔

اس وقت بھاپ کے انجنوں کا استعمال ممکنہ طور پر روزمرہ کے تجربے پر مبنی تھا جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ بھاپ چیزوں کو حرکت دے سکتی ہے۔ بھاپ کے انجنوں کو ہیٹ انجن سمجھا جاتا ہے (ایک ہیٹ انجن = حرارت کو مکینیکل توانائی میں تبدیل کرنے والا آلہ)۔ آج بھاپ کے انجن برقی توانائی پیدا کرنے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ جدید ہیٹ انجن اندرونی دہن کے انجن ہیں (کار کے انجن، موٹر سائیکل کے انجن وغیرہ)۔

ہیٹ انجن کے استعمال کے پیچھے بنیادی خیال یہ ہے کہ حرارت کو مکینیکل توانائی میں صرف اسی صورت میں تبدیل کیا جا سکتا ہے جب اسے زیادہ درجہ حرارت والے علاقے سے کم درجہ حرارت والے علاقے میں بہنے دیا جائے۔ اس عمل کے دوران، کچھ حرارت مکینیکل توانائی میں تبدیل ہو جاتی ہے (کچھ حرارت کام کرنے کے لیے استعمال ہوتی ہے)، جبکہ کچھ حرارت کو کم درجہ حرارت والے علاقے میں رد کر دیا جاتا ہے۔ حرارت کے انجن میں توانائی کی تبدیلی اور توانائی کی منتقلی کا عمل خاکہ میں دکھایا گیا ہے۔

اعلی درجہ حرارت (T_H) اور کم درجہ حرارت (T_L) کو انجن آپریٹنگ درجہ حرارت بھی کہا جاتا ہے۔ اعلی درجہ حرارت والی جگہ سے بہنے والی حرارت کو علامت Q دیا جاتا ہے۔_H، جبکہ حرارت جو کم درجہ حرارت والی جگہ پر چھوڑی جاتی ہے اسے علامت Q دی جاتی ہے۔_L. جب زیادہ درجہ حرارت والی جگہ سے کم درجہ حرارت والی جگہ کی طرف بہہ رہا ہو تو کچھ Q_H مکینیکل انرجی میں تبدیل (کام کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے)، اس میں سے کچھ کو بطور Q جاری کیا جاتا ہے۔_L. دراصل ہم واقعی امید کرتے ہیں کہ تمام Q_H W میں تبدیل کیا جا سکتا ہے، لیکن روزمرہ کا تجربہ بتاتا ہے کہ یہ ناممکن ہے۔ ہمیشہ کچھ گرمی ضائع ہوتی ہے۔ اس طرح، توانائی کے تحفظ کی بنیاد پر، یہ نتیجہ اخذ کیا جا سکتا ہے کہ Q_H = W + Q_L.

اب آئیے ایک ہیٹ انجن کا جائزہ لیں جو عام طور پر حرارت کو مکینیکل توانائی میں تبدیل کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ ہم صرف ان ہیٹ انجنوں پر غور کر رہے ہیں جو مسلسل کام کرتے ہیں۔ کام کو مسلسل انجام دینے کے لیے، گرمی کو زیادہ درجہ حرارت والے علاقے سے کم درجہ حرارت والے علاقے میں مسلسل بہنا چاہیے۔ اگر حرارت صرف ایک بار بہتی ہے، تو ہیٹ انجن کے ذریعہ انجام دیا جانے والا کام بھی صرف ایک بار کیا جائے گا (پیدا ہونے والی مکینیکل توانائی بہت کم ہوگی)۔ لہذا، گرمی کے انجن کو زیادہ سے زیادہ استعمال نہیں کیا جا سکتا. اگر یہ مسلسل کام کرتا ہے تو ہیٹ انجن کو بہتر طریقے سے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ دوسرے لفظوں میں، حرارت کے انجن سے پیدا ہونے والی مکینیکل توانائی کسی چیز کو حرکت دینے کے لیے استعمال ہونے کے لیے کافی ہے۔

بھاپ کا انجن

بھاپ کے انجن پانی کے بخارات کو حرارت کی منتقلی کے ذریعہ استعمال کرتے ہیں۔ بھاپ کو بھاپ کے انجن کا کام کرنے والا مادہ کہا جاتا ہے۔ بھاپ کے انجن کی دو قسمیں ہیں: ایک دوسرے سے چلنے والے بھاپ کے انجن اور ٹربائن بھاپ کے انجن (بھاپ کے ٹربائن)۔ ان کے ڈیزائن تھوڑا سا مختلف ہیں، لیکن دونوں اقسام میں مماثلت پائی جاتی ہے: وہ تیل، گیس، کوئلہ، یا جوہری توانائی جلا کر بھاپ کا استعمال کرتے ہیں۔

ری سیپروکیٹنگ قسم کا بھاپ کا انجن

ایک کنٹینر میں پانی عام طور پر ہائی پریشر پر گرم کیا جاتا ہے۔ چونکہ یہ اعلی دباؤ پر گرم ہوتا ہے، ابلنے کا عمل اعلی درجہ حرارت پر ہوتا ہے۔ درجہ حرارت دباؤ کے براہ راست متناسب ہے۔ بھاپ کا درجہ حرارت جتنا زیادہ ہوگا، بخارات کا دباؤ اتنا ہی زیادہ ہوگا۔ یہ ہائی ٹمپریچر یا ہائی پریشر بھاپ انلیٹ والو کے ذریعے حرکت کرتی ہے اور پسٹن کے خلاف پھیلتی ہے۔ جیسے جیسے یہ پھیلتا ہے، بھاپ پسٹن کو دھکیل دیتی ہے، جس کی وجہ سے یہ دائیں طرف جاتا ہے۔

بھاپ میں موجود کچھ حرارت حرکی توانائی میں بدل جاتی ہے۔ جب پسٹن دائیں طرف جاتا ہے، پسٹن سے منسلک وہیل گھومتا ہے (1)۔ آدھے گھومنے کے بعد، وہیل پسٹن کو اس کی اصل پوزیشن پر واپس دھکیلتا ہے (2)۔ جب پسٹن بائیں طرف جاتا ہے، تو انلیٹ والو خود بخود بند ہوجاتا ہے، جبکہ ایگزاسٹ والو خود بخود کھل جاتا ہے۔ بھاپ کو کنڈینسر کے ذریعہ گاڑھا کیا جاتا ہے ، اوس میں بدل جاتا ہے۔ اس کے بعد، کنڈینسر میں پانی کو دوبارہ ابالنے کے لیے کنٹینر میں پمپ کیا جاتا ہے۔ اور اسی طرح… چونکہ یہ عمل بار بار ہوتا ہے، پسٹن مسلسل دائیں اور بائیں حرکت کرتا ہے۔ چونکہ پسٹن مسلسل دائیں اور بائیں حرکت کرتا ہے، پہیہ بھی مسلسل گھومتا ہے۔ پہیے کی گردش عام طور پر کسی چیز کو حرکت دینے کے لیے استعمال ہوتی ہے۔

بھاپ ٹربائن

بھاپ کے ٹربائن کے کام کرنے کا اصول بنیادی طور پر وہی ہوتا ہے جو کہ ایک دوسرے سے چلنے والے بھاپ کے انجن کا ہوتا ہے۔ فرق یہ ہے کہ ایک باہمی بھاپ انجن ایک پسٹن کا استعمال کرتا ہے، جبکہ ایک بھاپ ٹربائن ٹربائن کا استعمال کرتا ہے. ایک دوسرے سے چلنے والے بھاپ کے انجن میں، حرارت کو پہلے پسٹن کی مترجم حرکی توانائی میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ اس کے بعد، پسٹن کی مترجم حرکی توانائی گھومنے والے پہیے کی گردشی حرکی توانائی میں تبدیل ہو جاتی ہے۔ بھاپ ٹربائن میں، حرارت براہ راست ٹربائن کی گردشی حرکی توانائی میں تبدیل ہو جاتی ہے۔ دباؤ کے فرق کی وجہ سے ٹربائن گھوم سکتی ہے۔ بلیڈ کے اوپر بھاپ کا درجہ حرارت بلیڈ کے نیچے بھاپ کے درجہ حرارت سے کہیں زیادہ ہے۔ بلیڈ ایک پتلی پلیٹ ہے جو ٹربائن کے بیچ میں واقع ہوتی ہے۔ درجہ حرارت دباؤ کے براہ راست متناسب ہے۔ چونکہ بلیڈ کے اوپر بھاپ کا درجہ حرارت بلیڈ کے نیچے بھاپ کے درجہ حرارت سے زیادہ ہے، بلیڈ کے اوپر بھاپ کا دباؤ بلیڈ کے نیچے والے دباؤ سے زیادہ ہے۔ دباؤ کے اس فرق کی وجہ سے بھاپ بلیڈ کو نیچے کی طرف دھکیلتی ہے، جس کی وجہ سے ٹربائن گھومتی ہے۔ ٹربائن کی گردش کی سمت تصویر میں دکھائی گئی ہے۔

یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ بھاپ کے انجن کے کام کرنے کا اصول اوپر بیان کردہ توانائی کی منتقلی کے خاکے پر مبنی ہے۔ اس صورت میں، مکینیکل توانائی پیدا کی جا سکتی ہے گرمی کو کسی شے یا مقام سے زیادہ درجہ حرارت والی چیز یا مقام پر کم درجہ حرارت کے ساتھ بہنے کی اجازت دے کر۔ لہذا، بھاپ کے انجن میں درجہ حرارت کا فرق ضروری ہے۔

اگر آپ اس بات پر دھیان دیتے ہیں کہ ایک دوسرے کے ساتھ بھاپ کا انجن کیسے کام کرتا ہے، تو آپ دیکھیں گے کہ پسٹن اب بھی بائیں اور دائیں حرکت کر سکتا ہے حالانکہ درجہ حرارت میں کوئی فرق نہیں ہے (کوئی کنڈینسر یا پمپ نہیں)۔ پسٹن اعلی درجہ حرارت یا ہائی پریشر بھاپ کی توسیع کی وجہ سے دائیں طرف حرکت کر سکتا ہے۔ اس صورت میں، بھاپ کی کچھ حرارت پسٹن کی مترجم حرکی توانائی میں بدل جاتی ہے۔ پسٹن کی یہ ترجمہی حرکی توانائی پھر گھومنے والے پہیے کی گردشی حرکی توانائی میں بدل جاتی ہے۔ آدھی گردش مکمل کرنے کے بعد، وہیل پسٹن کو پیچھے بائیں طرف دھکیلتا ہے۔ جب وہیل پسٹن کو پیچھے بائیں طرف دھکیلتا ہے، تو وہیل کی گردشی حرکی توانائی دوبارہ پسٹن کی مترجم حرکی توانائی میں تبدیل ہو جاتی ہے۔ جیسے ہی پسٹن بائیں طرف جاتا ہے، یہ سلنڈر میں بھاپ کو باہر دھکیلتا ہے۔ ایک ہی وقت میں، راستہ والو کھولتا ہے.

اس طرح، پسٹن کی طرف سے دھکیلنے والی بھاپ اس کے دوست کو ایگزاسٹ والو کے نیچے دھکیل دے گی۔ اب، اگر ایگزاسٹ والو کے نیچے بھاپ کا درجہ حرارت پسٹن کی طرف سے دھکیلنے والی بھاپ کے درجہ حرارت کے برابر ہو، تو پسٹن کی تمام ترجماتی حرکی توانائی واپس بھاپ کی اندرونی توانائی میں تبدیل ہو جائے گی۔ اندرونی توانائی درجہ حرارت کے براہ راست متناسب ہے۔ اگر بھاپ کی اندرونی توانائی بڑھ جائے تو بھاپ کا درجہ حرارت بڑھ جاتا ہے۔ درجہ حرارت دباؤ کے براہ راست متناسب ہے۔ اگر بھاپ کا درجہ حرارت بڑھتا ہے تو بھاپ کا دباؤ بھی بڑھ جاتا ہے۔ اس طرح، ایگزاسٹ والو کے ذریعے خارج ہونے والی بھاپ کا دباؤ inlet والو کے ذریعے داخل ہونے والی بھاپ کے دباؤ کے برابر ہے۔ پسٹن مسلسل دائیں اور بائیں حرکت کرتا رہے گا لیکن کوئی کل حرکی توانائی نہیں ہوگی جسے استعمال کیا جا سکے (کوئی کل کام نہیں ہوا)۔ لہذا توسیع کے عمل کے دوران پسٹن کو حاصل ہونے والی حرکی توانائی (پسٹن دائیں طرف حرکت کرتا ہے) کمپریشن کے عمل کے دوران بھاپ میں واپس آجائے گا (پسٹن بائیں طرف بڑھتا ہے)۔

یہ نتیجہ اخذ کیا گیا ہے کہ بھاپ کے انجن میں درجہ حرارت کا فرق اب بھی ضروری ہے۔ بھاپ کے انجن میں درجہ حرارت کا یہ فرق کمڈینسر کے استعمال سے حاصل کیا جا سکتا ہے۔ جب ایگزاسٹ والو کے نیچے بھاپ کا درجہ حرارت اور دباؤ سلنڈر میں بھاپ کے درجہ حرارت اور دباؤ سے بہت کم ہوتا ہے، تو جب پسٹن واپس بائیں طرف جاتا ہے، پسٹن کے دائیں طرف بڑھنے پر بھاپ کے دباؤ کی مقدار سے پسٹن بھاپ پر جتنا دباؤ ڈالتا ہے اس سے بہت کم ہوتا ہے۔ دوسرے لفظوں میں، بھاپ پر پسٹن جتنا کام کرتا ہے اس کی مقدار بھاپ پسٹن پر کیے جانے والے کام سے بہت کم ہے۔ پس پسٹن کی حرکی توانائی کا صرف ایک چھوٹا سا حصہ بھاپ میں واپس آتا ہے۔ اس طرح، کل حرکی توانائی یا کل کام پیدا ہوگا۔ یہ کل حرکی توانائی کسی چیز کو حرکت دینے کے لیے استعمال ہوتی ہے۔

اندرونی دہن انجن

موٹر سائیکل اور کار کے انجن اندرونی دہن کے انجن کی مثالیں ہیں۔ انہیں اندرونی دہن انجن کہا جاتا ہے کیونکہ دہن کا عمل بند سلنڈر کے اندر ہوتا ہے۔ اندرونی دہن کے انجن اڈیبیٹک کمپریشن اور توسیع کے تصور کی انجینئرنگ کا نتیجہ ہیں، جس کی وضاحت تھرموڈینامکس کے پہلے قانون میں کی گئی ہے ۔

ہم صرف اندرونی دہن کے انجنوں پر غور کریں گے جو پٹرول اور ڈیزل کو بطور ایندھن استعمال کرتے ہیں۔ پٹرول اور ڈیزل پیٹرولیم مصنوعات ہیں، اور اس وجہ سے ان میں کیمیکل ممکنہ توانائی ہوتی ہے۔ پٹرول اور ڈیزل میں کیمیائی ممکنہ توانائی سب سے پہلے دہن کے عمل کے ذریعے حرارت میں تبدیل ہوتی ہے۔ دہن کے ذریعے پیدا ہونے والی حرارت پھر مکینیکل توانائی میں بدل جاتی ہے۔ یہ مکینیکل توانائی ہے جو موٹر سائیکل یا کار کو حرکت دینے دیتی ہے۔ پٹرول انجن میں سائیکل کو اوٹو سائیکل کہا جاتا ہے، جبکہ ڈیزل انجن میں سائیکل کو ڈیزل سائیکل کہا جاتا ہے۔ ایک سائیکل ایک الٹنے والا تھرموڈینامک عمل ہے۔ آئیے پہلے اوٹو سائیکل پر بات کرتے ہیں۔

اوٹو سائیکل

یہ چار اسٹروک اندرونی دہن انجن کا خاکہ ہے۔ ہوا اور پٹرول کے بخارات کا مرکب کاربوریٹر سے سلنڈر میں بہتا ہے جب پسٹن نیچے کی طرف جاتا ہے (انٹیک اسٹروک)۔ سلنڈر میں ہوا اور پٹرول کے بخارات کا مرکب اس کے بعد جب پسٹن اوپر کی طرف بڑھتا ہے (کمپریشن اسٹروک) کو adiabatically کمپریس کیا جاتا ہے۔ چونکہ یہ adiabatically کمپریسڈ ہوتا ہے، اس لیے مرکب کا درجہ حرارت اور دباؤ بڑھ جاتا ہے۔ اس کے ساتھ ہی، چنگاری پلگ مرکب کو بھڑکاتا ہے، اسے بھڑکاتا ہے۔ جیسے جیسے یہ جلتا ہے، گیس کا درجہ حرارت اور دباؤ بڑھ جاتا ہے۔ اعلی درجہ حرارت، ہائی پریشر گیس پسٹن کے خلاف پھیلتی ہے، اسے نیچے کی طرف دھکیلتی ہے (توسیع اسٹروک)۔ اس کے بعد جلی ہوئی گیس کو ایگزاسٹ والو کے ذریعے خارج کیا جاتا ہے اور اسے ایگزاسٹ پائپ (ایگزاسٹ اسٹروک) کی طرف لے جاتا ہے۔ انٹیک والو دوبارہ کھلتا ہے، اور چار اسٹروک دہرائے جاتے ہیں۔

یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ اڈیبیٹک کمپریشن اسٹروک کا مقصد ہوا کے گیسولین بخارات کے مرکب کے درجہ حرارت اور دباؤ کو بڑھانا ہے۔ ہائی پریشر پر دہن بہت زیادہ درجہ حرارت اور دباؤ پیدا کرتا ہے۔ نتیجتاً، توسیع کے عمل کے دوران پیدا ہونے والا زور (F = PA) بہت بڑا ہے۔ اس کے نتیجے میں موٹرسائیکل یا کار کا انجن زیادہ طاقتور ہوتا ہے۔ یہاں تک کہ کمپریشن کے بغیر، جب چنگاری پلگ چنگاری پیدا کرتا ہے تو ایئر پٹرول بخارات کا مرکب بھڑک سکتا ہے۔ تاہم، دہکنے والی گیس کا درجہ حرارت اور دباؤ بہت زیادہ نہیں ہوتا، اس لیے اس کے نتیجے میں پیدا ہونے والا زور بھی چھوٹا ہوتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، انجن کم طاقتور ہو جاتا ہے.

چار اسٹروک اندرونی دہن انجن میں توانائی کی تبدیلی اور توانائی کی منتقلی کے عمل کی وضاحت اس طرح کی جا سکتی ہے: دہن کے دوران، پٹرول میں کیمیائی ممکنہ توانائی اور ہوا میں توانائی حرارت میں تبدیل ہو جاتی ہے۔ کچھ حرارت پسٹن راڈ اور کرینک شافٹ میں مکینیکل انرجی میں تبدیل ہوتی ہے، جبکہ کچھ ایگزاسٹ پائپ کے ذریعے خارج ہوتی ہے۔ پسٹن راڈ اور کرینک شافٹ میں زیادہ تر مکینیکل انرجی گاڑی (گاڑی کو حرکت دینے) میں مکینیکل انرجی میں تبدیل ہو جاتی ہے، جبکہ ایک چھوٹا سا حصہ حرارت میں تبدیل ہو جاتا ہے۔ گرمی رگڑ سے پیدا ہوتی ہے۔

اوٹو سائیکل میں اڈیبیٹک توسیع اور کمپریشن کے عمل کو نیچے دیے گئے خاکے سے واضح کیا جا سکتا ہے۔ یہ خاکہ پٹرول سے چلنے والے اندرونی دہن کے انجن میں ہونے والے تھرموڈینامک عمل کا ایک مثالی ماڈل دکھاتا ہے۔

ہوا اور پٹرول کے بخارات کا مرکب سلنڈر (a) میں داخل ہوتا ہے۔ ہوا اور پٹرول کے بخارات کے مرکب کو پھر اڈیابیٹلی طور پر کمپریس کیا جاتا ہے (a-b)۔ نوٹ کریں کہ سلنڈر کا حجم کم ہو جاتا ہے۔ ہوا اور پٹرول کے بخارات کے مرکب کو مستقل حجم پر گرم کیا جاتا ہے - مرکب جل جاتا ہے (b-c)۔ جلی ہوئی گیس adiabatic توسیع (c-d) سے گزرتی ہے۔ مستقل حجم پر ٹھنڈا ہونا - جلی ہوئی گیس کو ایگزاسٹ پائپ میں خارج کیا جاتا ہے اور ہوا + پٹرول کے بخارات کا ایک نیا مرکب سلنڈر (d-a) میں داخل ہوتا ہے۔

ہوا اور پٹرول کے بخارات کا مرکب سلنڈر (a) میں داخل ہوتا ہے۔ ہوا اور پٹرول کے بخارات کے مرکب کو پھر اڈیابیٹلی طور پر کمپریس کیا جاتا ہے (a-b)۔ نوٹ کریں کہ سلنڈر کا حجم کم ہو جاتا ہے۔ ہوا اور پٹرول کے بخارات کے مرکب کو مستقل حجم پر گرم کیا جاتا ہے - مرکب جل جاتا ہے (b-c)۔ جلی ہوئی گیس adiabatic توسیع (c-d) سے گزرتی ہے۔ مستقل حجم پر ٹھنڈا ہونا - جلی ہوئی گیس کو ایگزاسٹ پائپ میں خارج کیا جاتا ہے اور ہوا + پٹرول کے بخارات کا ایک نیا مرکب سلنڈر (d-a) میں داخل ہوتا ہے۔

ڈیزل سائیکل

ڈیزل انجن کا کام کرنے کا اصول پٹرول انجن کی طرح ہے۔ فرق ابتدائی اڈیبیٹک کمپریشن مرحلے میں ہے (اڈیبیٹک کمپریشن = کمپریشن جو اتنی تیزی سے کیا جاتا ہے کہ گرمی کو سسٹم کے اندر یا باہر جانے کا وقت نہیں ہوتا ہے۔ اس معاملے میں سسٹم ایک سلنڈر ہے)۔ پٹرول انجن میں، جو کمپریس کیا جاتا ہے وہ ہوا اور پٹرول کے بخارات کا مرکب ہوتا ہے، ڈیزل انجن میں صرف ہوا کو کمپریس کیا جاتا ہے۔ Adiabatic کمپریشن کی وجہ سے ہوا کا درجہ حرارت اور دباؤ بڑھتا ہے۔ اگلا، انجیکٹر، عرف انجیکٹر، ڈیزل چھڑکتا ہے۔ کیونکہ ہوا کا درجہ حرارت اور دباؤ پہلے ہی بہت زیادہ ہے، جب ڈیزل کو سلنڈر میں اسپرے کیا جاتا ہے تو ڈیزل فوراً جل جاتا ہے۔ اسپارک پلگ کی ضرورت نہیں۔ نیچے دیے گئے خاکے میں دکھائے گئے دباؤ کی قدر کو نوٹ کریں۔ اس کا موازنہ اوٹو سائیکل ڈایاگرام میں دکھائے گئے پریشر ویلیو سے کریں۔

یہ خاکہ ایک مثالی ڈیزل سائیکل دکھاتا ہے۔ ابتدائی طور پر، ہوا کو adiabatically کمپریس کیا جاتا ہے (a-b)، پھر مسلسل دباؤ پر گرم کیا جاتا ہے - انجیکٹر ڈیزل چھڑکتا ہے اور دہن ہوتا ہے (b-c)، جلی ہوئی گیس adiabatic توسیع (c-d) سے گزرتی ہے، مستقل حجم پر ٹھنڈی ہوتی ہے - جلی ہوئی گیس کو ایگزاسٹ پائپ کے ذریعے نکال دیا جاتا ہے اور تازہ ہوا cylinder میں داخل ہوتی ہے۔

مندرجہ بالا وضاحت کی بنیاد پر، یہ نتیجہ اخذ کیا جا سکتا ہے کہ ہر حرارتی انجن میں بنیادی طور پر ایک مخصوص کام کرنے والا مادہ ہوتا ہے۔ بھاپ کے انجن کے لیے کام کرنے والا مادہ پانی ہے، پٹرول انجن کے لیے کام کرنے والا مادہ ہوا اور گیسولین بخارات ہے، ڈیزل انجن کے لیے کام کرنے والا مادہ ہوا اور ڈیزل ہے۔ کام کرنے والا مادہ عام طور پر اعلی درجہ حرارت (Q _H ) پر حرارت جذب کرتا ہے، کام کرتا ہے (W)، پھر باقی حرارت کو کم درجہ حرارت (Q _L ) پر جاری کرتا ہے۔ کیونکہ توانائی محفوظ ہے، پھر Q _H = W + Q _L ۔

ہیٹ انجن کی کارکردگی

حرارت کے انجن کی کارکردگی (ای) انجن کے ذریعہ کئے گئے کام (W) اور اعلی درجہ حرارت (Q _H ) پر حرارت کے ان پٹ کے درمیان تناسب ہے۔ ریاضی کے لحاظ سے اسے اس طرح لکھا جا سکتا ہے:

W وہ منافع ہے جو ہم حاصل کرتے ہیں، جبکہ QH وہ قیمت _ہے جو ہم ایندھن کو خریدنے اور جلانے کے لیے اٹھاتے ہیں۔ انسانوں کے طور پر جو ہمیشہ زیادہ سے زیادہ ممکنہ منافع اور سب سے چھوٹے ممکنہ اخراجات کو حاصل کرنا چاہتے ہیں، ہم واقعی امید کرتے ہیں کہ جو منافع ہم حاصل کرتے ہیں (W) وہ ہماری لاگت (QH) کے مطابق ہے۔ کیا یہ ممکن ہے؟

توانائی کے تحفظ کی بنیاد پر، ان پٹ ہیٹ (Q _H ) کام (W) کیے گئے + جاری ہونے والی حرارت (Q _L ) کے برابر ہونی چاہیے۔ ریاضی کے لحاظ سے:

ہیٹ انجن کی کارکردگی کو فیصد کے طور پر ظاہر کرنے کے لیے، صرف کارکردگی کی مساوات کو 100% سے ضرب دیں۔ اوپر دی گئی کارکردگی کی مساوات کی بنیاد پر، ہیٹ انجن کے ذریعہ جتنی زیادہ حرارت کو مسترد کیا جائے گا (Q _L )، یہ اتنا ہی کم موثر ہوگا۔ ہم بہت زیادہ چاہیں گے کہ زیادہ سے زیادہ گرمی کو مسترد کیا جائے (Q _L )۔ تاہم، ہیٹ ان پٹ (Q _H ) عام طور پر تیل، کوئلہ، گیس وغیرہ جلا کر حاصل کیا جاتا ہے (ایندھن جس کے لیے ہم ادائیگی کرتے ہیں)۔

لہٰذا، ہر ہیٹ انجن کو بنیادی طور پر زیادہ سے زیادہ موثر بنانے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔ اگرچہ ہم کم سے کم ممکنہ اخراجات سے زیادہ سے زیادہ فائدہ حاصل کرنے کی خواہش رکھتے ہیں، لیکن حقیقت یہ ہے کہ بھاپ کے انجن عام طور پر تقریباً 40 فیصد موثر ہوتے ہیں، جبکہ اندرونی دہن کے انجن تقریباً 50 فیصد ہوتے ہیں۔ اس کا مطلب ہے کہ ایندھن جلانے سے پیدا ہونے والی نصف حرارت ضائع ہو جاتی ہے۔ صرف نصف مکینیکل توانائی میں تبدیل ہوتا ہے۔

مثال سوال 1:

ایک ہیٹ انجن 3000 جولز حرارت (Q _H ) جذب کرتا ہے، کام (W) کرتا ہے اور 2500 Joules حرارت (Q _L ) جاری کرتا ہے۔ گرمی کے انجن کی کارکردگی کیا ہے؟

بحث

مثال سوال 2:

ایک ہیٹ انجن 3000 جولز حرارت (Q _H ) جذب کرتا ہے، کام کرتا ہے (W) اور 2000 Joules حرارت (Q _L ) جاری کرتا ہے۔ گرمی کے انجن کی کارکردگی کیا ہے؟

بحث

مثال سوال 3:

ایک ہیٹ انجن 3000 جولز حرارت (Q _H ) جذب کرتا ہے، کام کرتا ہے (W) اور 1500 Joules حرارت (Q _L ) جاری کرتا ہے۔ گرمی کے انجن کی کارکردگی کیا ہے؟

بحث