حرارتی انجنوں پر تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کا اطلاق
ہیٹ انجن ٹیکنالوجی کی تاریخ میں سب سے اہم ایجادات میں سے ایک ہے کیونکہ اس نے انسانوں کو تھرمل توانائی کو کارآمد مکینیکل کام میں تبدیل کرنے کی اجازت دی۔ صنعتی انقلاب کے بھاپ کے انجنوں سے لے کر جدید گاڑیوں میں گیس ٹربائنز اور اندرونی دہن کے انجنوں تک، ہیٹ انجن کا بنیادی تصور ایک ہی رہتا ہے: حرارت کا ذریعہ، حرارت کا سنک، اور پیدا ہونے والا کام۔ لیکن کیا تمام حرارت کو 100% وقت کام میں تبدیل کیا جا سکتا ہے؟ ہمیشہ ناگزیر "نقصان" کیوں ہوتے ہیں؟ اس کا جواب تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون میں ہے۔ یہ قانون صرف ایک نظریاتی قاعدہ نہیں ہے، بلکہ ایک بنیادی حد ہے جو اس بات کا تعین کرتی ہے کہ حرارت کا انجن کتنی موثر طریقے سے کام کر سکتا ہے اور اسے کیسے ڈیزائن کیا جانا چاہیے۔
حرارتی انجنوں کا جائزہ
سیدھے الفاظ میں، ہیٹ انجن ایک ایسا نظام ہے جو آنے والی حرارت کی توانائی میں سے کچھ کو کام میں تبدیل کرنے کے لیے سائیکل سے چلتا ہے۔ ایک چکر میں، انجن گرم ذخائر سے گرمی جذب کرتا ہے (مثلاً ایندھن کا دہن یا جوہری ری ایکٹر)، کام پیدا کرتا ہے (مثلاً، شافٹ کو موڑنا)، اور پھر باقی حرارت کو ٹھنڈے ذخائر میں رد کر دیتا ہے (مثلاً باہر کی ہوا یا ٹھنڈا پانی)۔ یہ تین عناصر — ایک گرم ذخائر، ایک انجن، اور ایک ٹھنڈا ذخیرہ — ہمیشہ حقیقی حرارت کے انجن میں موجود ہوتے ہیں۔
اگر ہم عام اشارے استعمال کرتے ہیں:
- مشین گرمی کے منبع سے حرارت جذب کرتی ہے جس کی مقدار Qₕ (ہیٹ ان پٹ) ہے۔
- مشین ڈبلیو کا کام کرتی ہے۔
- مشین Q𝑐 کی مقدار میں ماحول یا سرد ذریعہ میں حرارت جاری کرتی ہے۔
مینورٹ تھرموڈینامکس کا پہلا قانون (توانائی کا تحفظ)، لاگو ہوتا ہے:
Qₕ = W + Q𝑐
اس کا مطلب یہ ہے کہ پیدا ہونے والا کام ہیٹ ان پٹ اور ہار گئی گرمی کے درمیان فرق ہے۔ تاہم، پہلا قانون اس بات کی وضاحت نہیں کرتا ہے کہ Q𝑐 صفر کیوں نہیں ہو سکتا۔ یہ وہ جگہ ہے جہاں دوسرا قانون ایک اہم کردار ادا کرتا ہے۔
تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کا بیان
تھرموڈینامکس کا دوسرا قانون کئی مساوی شکلوں میں بیان کیا جا سکتا ہے، لیکن حرارت کے انجنوں سے زیادہ متعلقہ دو بیانات یہ ہیں:
1. کیلون-پلانک کا بیان:
ایسا ہیٹ انجن بنانا ناممکن ہے جو ایک چکر میں کام کرے اور ایک ذخائر سے جذب ہونے والی تمام حرارت کو دوسرے ذخائر میں حرارت کو رد کیے بغیر کام میں بدل دے۔
دوسرے الفاظ میں، گرمی کے انجن کے لیے 100% کارکردگی کا ہونا ناممکن ہے۔
2. کلوسیس کا بیان:
بیرونی کام کے بغیر کسی ٹھنڈی چیز سے گرم چیز میں حرارت کا منتقل ہونا ناممکن ہے۔
یہ بتاتا ہے کہ ریفریجریٹرز/AC کو برقی توانائی کی ضرورت کیوں ہے: حرارت کو اس کی قدرتی سمت کے خلاف حرکت کرنے پر مجبور کرنے کے لیے۔
دونوں بیانات درحقیقت ایک اصول کی وضاحت کرتے ہیں: قدرتی عمل کی سمت ہوتی ہے (ناقابل واپسی)، اور حرارتی توانائی کو مفید توانائی میں تبدیل کرنے کی بنیادی حدود ہیں ۔
اینٹروپی اور عمل کی سمت
دوسرے قانون سے ابھرنے والا ایک اہم تصور اینٹروپی (S) ہے، ایک مقدار جسے اکثر توانائی کی تقسیم یا خرابی کی ڈگری کے پیمانے کے طور پر سمجھا جاتا ہے، حالانکہ اس کی تھرموڈینامک تعریف زیادہ رسمی ہے۔ الٹ جانے والے عمل کے لیے، اینٹروپی میں تبدیلی کی تعریف اس طرح کی گئی ہے:
dS = δQ_rev / T
دوسرا قانون کہتا ہے کہ ایک الگ تھلگ نظام کے لیے، کل اینٹروپی کبھی کم نہیں ہوتی:
ΔS_کل ≥ 0
گرمی کے انجن کے تناظر میں، جب گرمی گرم ذریعہ سے سرد ذریعہ کی طرف بہتی ہے، تو کل اینٹروپی بڑھ جاتی ہے۔ انجن کو کام کرنے کے لیے، یہ حرارت کی توانائی کے اس "بہاؤ" کو استعمال کرتا ہے، لیکن اسے پھر بھی اس ضرورت کی تعمیل کرنی چاہیے کہ کل اینٹروپی کم نہ ہو۔ نتیجتاً، کچھ حرارت کو ہمیشہ ٹھنڈے ذخائر میں رد کر دینا چاہیے۔ یہ مسترد کرنا محض تکنیکی نقصان نہیں ہے بلکہ اینٹروپی کی ضرورت کو پورا کرنے کے لیے ایک بنیادی ضرورت ہے۔
حرارت کے انجن کی کارکردگی اور کارنوٹ کی حد
حرارت کے انجن کی حرارتی کارکردگی کو گرمی کے منبع سے جذب ہونے والی حرارت سے پیدا ہونے والے کام کے تناسب کے طور پر بیان کیا جاتا ہے:
η = W / Qₕ = (Qₕ − Q𝑐) / Qₕ = 1 − (Q𝑐 / Qₕ)
دوسرا قانون η کی زیادہ سے زیادہ قدر کو محدود کرتا ہے۔ سب سے زیادہ نظریاتی طور پر موثر ہیٹ انجن کارنوٹ انجن ہے، ایک مثالی انجن جو کیلون میں Tₕ (گرم) اور T𝑐 (ٹھنڈا) درجہ حرارت پر دو ذخائر کے درمیان الٹ کام کرتا ہے۔ کارنوٹ کی زیادہ سے زیادہ کارکردگی اس کے ذریعہ دی گئی ہے:
η_کارنوٹ = 1 − (T𝑐 / Tₕ)
یہ فارمولہ دو اہم چیزوں کو ظاہر کرتا ہے:
1. زیادہ سے زیادہ کارکردگی صرف ذخائر کے درجہ حرارت پر منحصر ہے، کام کرنے والے سیال کی قسم یا انجن کے ڈیزائن کی تفصیلات پر نہیں۔
2. کے لیے کارکردگی میں اضافہہمیں یا تو Tₕ کو بڑھانا چاہیے یا T𝑐 کم کرنا چاہیے۔ تاہم، دونوں مواد، حفاظت، لاگت، اور ماحولیاتی حالات کے لحاظ سے محدود ہیں۔
مثال: اگر Tₕ = 900 K اور T𝑐 = 300 K، تو:
η_کارنوٹ = 1 − 300/900 = 1 − 1/3 = 0,667 (66,7%)
یہ مثالی حد ہے۔ رگڑ، گرمی کے نقصان، نامکمل دہن، اور دیگر ناقابل واپسی عوامل کی وجہ سے اصلی انجنوں کی کارکردگی کم ہوگی۔
اصلی مشینوں میں ناقابل واپسی۔
دوسرا قانون یہ بھی بتاتا ہے کہ کیوں حقیقی انجن کبھی کارنوٹ کی کارکردگی حاصل نہیں کرتے۔ بنیادی وجہ ناقابل واپسی ہے، یہ وہ عمل ہے جو اینٹروپی پیدا کرتا ہے۔ حرارت کے انجنوں میں ناقابل واپسی کے کچھ ذرائع شامل ہیں:
- شافٹ، بیرنگ اور حرکت پذیر اجزاء پر مکینیکل رگڑ۔
- درجہ حرارت کے بڑے فرق کے ذریعے حرارت کی منتقلی، مثال کے طور پر زیادہ گرم دہن والے چیمبر سے کام کرنے والے سیال تک گرمی؛ اس قسم کی منتقلی ایک مثالی عمل سے زیادہ اینٹروپی پیدا کرتی ہے۔
- پائپوں، والوز اور ٹربائنز میں سیال کے بہاؤ میں ہنگامہ اور دباؤ کا نقصان۔
- گیس اور ہوا یا دہن کی مصنوعات کا ناقابل واپسی اختلاط۔
- دہن بذات خود ایک بہت ہی ناقابل واپسی عمل ہے۔
یہ تمام چیزیں کل اینٹروپی کو بڑھاتی ہیں اور کام پیدا کرنے کی صلاحیت کو "استعمال" کرتی ہیں، اس لیے کارکردگی کم ہو جاتی ہے۔
اندرونی دہن انجنوں اور بھاپ پاور پلانٹس میں درخواست
اندرونی دہن انجنوں میں (جیسے پٹرول اور ڈیزل انجن)، گرمی کا ذریعہ سلنڈر کے اندر دہن کے رد عمل سے آتا ہے۔ انجن دہن کے دوران اعلی درجہ حرارت پر گرمی (مؤثر طریقے سے) جذب کرتا ہے، پھر خارج ہونے والی گیسوں اور کولنگ سسٹم (ریڈی ایٹر) کے ذریعے گرمی کو رد کرتا ہے۔ دوسرا قانون بتاتا ہے کہ گاڑیوں کے انجن مسلسل بڑی مقدار میں فضلہ حرارت کیوں پیدا کرتے ہیں: ایندھن کی تمام توانائی کو شافٹ کے کام میں تبدیل کرنا ناممکن ہے۔
بھاپ سے چلنے والے پلانٹ (PLTU) میں ، ٹربائن کو موڑنے کے لیے پانی کو ہائی پریشر والی بھاپ میں گرم کیا جاتا ہے۔ ٹربائن سے گزرنے کے بعد، بھاپ کو پانی میں واپس آنے کے لیے کنڈینسر میں ٹھنڈا کیا جاتا ہے اور اسے دوبارہ پمپ کیا جا سکتا ہے۔ یہ کمڈینسر سرد ذخائر کے طور پر کام کرتا ہے۔ بہت سے لوگ کنڈینسر کو "توانائی کا ضیاع" سمجھتے ہیں، لیکن تھرموڈینامیکل طور پر، گرمی کی کھپت سائیکل کو جاری رکھنے اور دوسرے قانون کی خلاف ورزی نہ کرنے کے لیے مکمل اینٹروپی کے لیے ضروری ہے۔ لہذا، PLTUs عام طور پر ٹھنڈک کے لیے پانی کے بڑے ذرائع کے قریب بنائے جاتے ہیں، یا کولنگ ٹاور استعمال کرتے ہیں۔
دوسرے قانون کی بنیاد پر کارکردگی میں بہتری کی حکمت عملی
چونکہ دوسرا قانون حدیں لگاتا ہے، گرمی کے انجنوں میں بہتری ناقابل واپسی کو کم کرنے اور درجہ حرارت کی مؤثر حد کو بڑھانے پر توجہ مرکوز کرتی ہے۔ کچھ عام حکمت عملیوں میں شامل ہیں:
- ٹربائن کے داخلی درجہ حرارت کو بڑھانے کے لیے رینکائن سائیکل (PLTU) میں سپر ہیٹنگ اور دوبارہ گرم کرنا۔
– ری جنریشن (فیڈ واٹر ہیٹر) فضول گرمی کو فیڈ پانی کو گرم کرنے کے لیے استعمال کرنے کے لیے، بوائلر کی گرمی کی ضروریات کو کم کرتا ہے۔
- مشترکہ سائیکل (مشترکہ گیس بھاپ سائیکل)، جہاں فضلہ حرارت گیس ٹربائن بھاپ پیدا کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے جو بھاپ کی ٹربائن بدلتی ہے۔ اس سے استعمال میں اضافہ ہوتا ہے۔ حرارتی توانائی اور نظام کو قریب لاتا ہے۔ اعلی کارکردگی کی حد.
- اجزاء کو کام کرنے کے قابل بنانے کے لیے مواد میں اضافہ زیادہ درجہ حرارت بغیر نقصان کے، تاکہ Tₕ بڑھ جائے۔
- ٹربائن ایروڈینامک ڈیزائن، بہتر چکنا، اور سیال راستے کی اصلاح کے ذریعے رگڑ اور بہاؤ کے نقصانات کو کم کریں۔
یہ تمام کوششیں بنیادی طور پر دوسرے قانون کے عملی اطلاق ہیں: اینٹروپی کا انتظام کرنا اور اینٹروپی کی پیداوار کو دبانا تاکہ زیادہ حرارتی توانائی کو کام میں تبدیل کیا جا سکے۔
نتیجہ اخذ کرنا
حرارتی انجنوں پر تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کا اطلاق ایک بنیادی حد کو ظاہر کرتا ہے جس سے آگے کوئی ٹیکنالوجی قابو نہیں پا سکتی: کوئی انجن تمام حرارت کو ایک چکر میں کام میں تبدیل نہیں کر سکتا۔ ٹھنڈے ذخائر اور ہیٹ سنک کی موجودگی محض ڈیزائن کی خرابی نہیں ہے بلکہ عمل کی قدرتی سمت اور اینٹروپی میں اضافے کا براہ راست نتیجہ ہے۔ کارکردگی کے تصورات، کارنوٹ کی حد، اور ناقابل واپسی کے تجزیہ کے ذریعے، دوسرا قانون آٹوموٹیو انجنوں سے لے کر بڑے پیمانے پر پاور پلانٹس تک زیادہ موثر انجنوں کو ڈیزائن کرنے کے لیے ایک بنیادی رہنما فراہم کرتا ہے۔ دوسرے قانون کو سمجھ کر، ہم نہ صرف یہ جانتے ہیں کہ "کیوں کارکردگی محدود ہے" بلکہ یہ بھی جانتے ہیں کہ حرارت کے انجنوں کو فطرت کی طرف سے اجازت دی گئی بہترین کارکردگی کے قریب لانے کے لیے "کہاں بہتر کرنا ہے"۔
