یہ جاننے کے لیے کہ ہیٹ انجن کی کارکردگی کو کیسے بڑھایا جائے ، ساڈی کارنوٹ (1796-1832) نامی ایک فرانسیسی سائنسدان نے 1824 میں ایک مثالی تھیوریٹیکل کیلورک مشین کا معائنہ کیا۔ اس وقت تھرمو ڈائنامکس کا پہلا قانون وضع نہیں کیا گیا تھا اور نہ ہی تھرموڈینامکس کا دوسرا قانون۔ پہلا قانون وضع نہیں کیا گیا کیونکہ سائنسدان ابھی تک نہیں جانتے کہ حرارت توانائی ہے۔ 1830 کی دہائی میں جول اور ان کے ساتھیوں کے تجربات کے بعد، سائنسدانوں نے دریافت کیا کہ حرارت ایک توانائی ہے جو درجہ حرارت کے فرق کی وجہ سے حرکت کرتی ہے۔ چنانچہ تھرموڈینامکس کا پہلا قانون 1830 کے بعد وضع کیا گیا۔ ساڈی کارنوٹ 1824 میں نظریاتی مثالی کیلورک انجن پر تحقیق کر رہے تھے۔ ان کی تحقیق دراصل بھاپ کے انجن کی کارکردگی کو بڑھانا تھی۔ اس وقت کے زیادہ تر بھاپ کے انجن کم کارگر تھے۔
ساڈی کارنوٹ کی سوچ کے مثالی ہیٹ انجن پر سائیکل کو کارنوٹ سائیکل کا نام دیا گیا ہے۔ کارنوٹ سائیکل سیکھنے سے پہلے، ہم نے ناقابل واپسی عمل کو دوبارہ سمجھا۔ توانائی کی تبدیلی اور توانائی کی منتقلی کا ہر عمل ناقابل واپسی ہوتا ہے۔ مثال کے طور پر، ہم ہاتھ رگڑتے ہیں تاکہ ہاتھ گرم ہوں۔ گرمی ہمارے کام کے ذریعے پیدا ہوتی ہے۔ عمل ناقابل واپسی ہے۔ گرمی ہاتھ نہیں رگڑ سکتی۔
حرارت کے انجن کا مقصد اس عمل میں سے کچھ کو ریورس کرنا ہے، جہاں حرارت کو زیادہ سے زیادہ ممکنہ کارکردگی کے ساتھ کام کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ گرمی کے انجن کی زیادہ سے زیادہ کارکردگی کے لیے ، پھر ہمیں تمام ناقابل واپسی عمل سے بچنا چاہیے۔ حرارت کی منتقلی قدرتی طور پر ناقابل واپسی ہے تاکہ حرارت کی حرکت نہ ہو۔
جب انجن گرمی (Q H ) کو زیادہ درجہ حرارت (T H ) پر لیتا ہے، تو مشین میں کام کرنے والا سیال بھی T H درجہ حرارت پر ہونا چاہیے۔ اسی طرح، اگر انجن کم درجہ حرارت (T L ) پر Q L حرارت کو ختم کرتا ہے ، تو مشین میں کام کرنے والا سیال بھی T L درجہ حرارت پر ہونا چاہیے۔ اس طرح، حرارت کی منتقلی پر مشتمل کوئی بھی عمل isothermal (ایک ہی درجہ حرارت) ہونا چاہیے۔ اس کے برعکس، اگر مشین میں ورک پیس کا درجہ حرارت T H اور T L کے درمیان ہے ، تو مشین کے درمیان حرارت کی منتقلی نہیں ہوتی ہے جہاں T H درجہ حرارت ( حرارت فراہم کرنے والا) اور T L درجہ حرارت ( خارج ہونے والے مادہ) والے علاقے کے درمیان ہوتا ہے۔ کیونکہ گرمی حرکت نہیں کرتی ہے، اس کے بعد عمل کو adiabatically کیا جانا چاہئے.
کارنوٹ سائیکل دو الٹنے والے آئسوتھرمل عملوں اور دو الٹ جانے والے اڈیبیٹک عمل پر مشتمل ہے۔
طرف کی تصویر ایک مثالی گیس کے لیے پسٹن کارنوٹ سائیکل ہے۔ سب سے پہلے، گرمی isothermal توسیع (ab) کے دوران جذب ہوتی ہے۔ isothermal توسیع کے دوران، سلنڈر میں گیس کا درجہ حرارت مستقل رکھا جاتا ہے۔
اس کے بعد، گیس adiabatically پھیلتی ہے تاکہ درجہ حرارت T H سے T L (bc) تک گر جائے۔ T H = اعلی درجہ حرارت، T L = کم درجہ حرارت۔ اڈیبیٹک توسیع کے دوران، کوئی حرارت سلنڈر میں داخل نہیں ہوتی ہے اور نہ ہی باہر نکلتی ہے۔ اس کے بعد، گیس isothermally دبایا جاتا ہے (cd). isothermal دبانے کے دوران، گیس کا درجہ حرارت مستقل رکھا جاتا ہے۔ اس کے بعد گیس کو adiabatically دبایا جاتا ہے (da)۔ چونکہ یہ adiabatically دبایا جاتا ہے، گیس کا درجہ حرارت بڑھ جاتا ہے۔ گیس کا درجہ حرارت اتنا بڑھ جاتا ہے کہ گیس کا پریشر بھی بڑھ جاتا ہے۔ کارنوٹ سائیکل میں پورا عمل الٹنے والا ہے۔
isothermal توسیع اور isothermal پریس کے دوران، گیس کا درجہ حرارت مستقل رکھا جاتا ہے۔ مقصد درجہ حرارت کے کسی بھی فرق سے بچنا ہے۔ درجہ حرارت کے فرق کا وجود گرمی کی منتقلی (ناقابل واپسی عمل) کا سبب بن سکتا ہے۔ آئسوتھرمل عمل ہونے کے لیے (گیس کا درجہ حرارت ہمیشہ مستقل رہتا ہے) گیس کو آہستہ آہستہ بڑھانا یا دبانا چاہیے۔ حقیقت میں، توسیع، یا گیس کا دباؤ، زیادہ تیزی سے ہوتا ہے۔ یہ ہنگامہ خیزی کی وجہ سے ہے (متحرک سیال مواد کو یاد رکھیں)، رگڑ، viscosity، وغیرہ کے نتیجے میں، کامل isothermal عمل کبھی موجود نہیں ہوگا۔ اس کے برعکس، adiabatic توسیع اور دبانے تیزی سے ہیں.
مقصد گرمی کو سلنڈر میں جانے یا سلنڈر سے باہر جانے سے روکنا ہے۔ رگڑ، viscosity، وغیرہ کی موجودگی کوئی مکمل adiabatic توسیع اور زور کا سبب نہیں بنتی ہے۔ ذہن میں رکھیں کہ کارنوٹ انجن صرف نظریاتی ہے۔ کارنوٹ مشین ہماری زندگی میں موجود نہیں ہے۔ اگرچہ صرف نظریاتی، کارنوٹ انجن کا وجود تھرموڈینامکس کی فائدہ مند ترقی ہے۔ یہ کم از کم کسی بھی ناقابل واپسی عمل کے بارے میں معلوم ہوسکتا ہے جو عمل کے دوران ہوسکتا ہے اور انہیں کم سے کم کرنے کی کوشش کرتا ہے تاکہ انجن کی کارکردگی زیادہ سے زیادہ ہو۔
کارنوٹ انجن کا نمایاں نتیجہ انجن کی کامل حرارت کے لیے ہے، موصول ہونے والی حرارت (Q H ) اعلی درجہ حرارت (T H ) کے متناسب ہے، اور پگھلا ہوا اخراج (Q L ) کم درجہ حرارت (T L ) کے متناسب ہے۔ اس طرح، کامل ہیٹ انجن کی کارکردگی یہ ہے:
یہ کامل ہیٹ انجن کی کارکردگی کی مساوات ہے۔
سوال 1:
بھاپ کا انجن 500 o C اور 300 o C کے درمیان کام کرتا ہے۔ بھاپ کے انجن کی مثالی کارکردگی (کارنوٹ کارکردگی) کا تعین کریں۔
حل
درجہ حرارت کو کیلون پیمانے میں تبدیل کیا جانا چاہئے۔
T H (اعلی درجہ حرارت) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (کم درجہ حرارت) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
500 ° C اور 300 ° C کے درمیان کام کرنے والے کامل ہیٹ انجن کی کارکردگی 26% ہے۔ جب ہم اپنی روزمرہ کی زندگی میں جو مشینیں استعمال کرتے ہیں وہ 500 °C اور 300 °C کے درمیان کام کرتے ہیں، مشینیں جو زیادہ سے زیادہ کارکردگی حاصل کر سکتی ہیں وہ تقریباً 0.7 گنا مثالی کارکردگی (18.2%) ہے۔
سوال 2:
ایک ہیٹ انجن 300 ° C کے درجہ حرارت پر 600 J حاصل کرتا ہے، کام (W) 100 Joules کرتا ہے اور 100 ° C پر 500 J خارج کرتا ہے۔ اس مشین کی اصل کارکردگی اور مثالی کارکردگی (کارنوٹ کارکردگی) کا تعین کریں۔
درجہ حرارت کو کیلون پیمانے میں تبدیل کیا جانا چاہئے۔
T H (زیادہ درجہ حرارت) = 300 o C - 300 + 273 = 573 K
T L (کم درجہ حرارت) = 100 o C - 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
انجن کی کارکردگی:
اس مشین کی مثالی کارکردگی:
300 ° C اور 100 ° C کے درمیان کام کرنے والے کامل ہیٹ انجن کی کارکردگی 35% ہے۔ زیادہ سے زیادہ کارکردگی جو مشین حاصل کر سکتی ہے وہ عام طور پر مثالی کارکردگی کا تقریباً 0.7 گنا ہے = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J حرارت کام کرنے کے لیے استعمال ہوتی ہے)۔
اس مشین کی اصل کارکردگی 17% ہے (کام کرنے کے لیے صرف 100 J حرارت استعمال ہوتی ہے)۔ اب بھی 147 J - 100 J = 47 J گرمی جو کام کرنے کے لیے استعمال کی جا سکتی ہے۔
سوال 3:
ایک مشین 1000 Joule کیلوریز حاصل کرتی ہے اور ہر سائیکل پر 400 Joules کام پیدا کرتی ہے۔ یہ مشین 500 o C اور 200 o C کے درمیان کام کرتی ہے۔ اس مشین کی اصل کارکردگی اور مثالی کارکردگی کا حساب لگائیں۔
حل
T H (زیادہ درجہ حرارت) = 500 o C - 500 + 273 = 773 K
T L (کم درجہ حرارت) = 200 o C - 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
انجن کی کارکردگی:
اس مشین کی مثالی کارکردگی:
کارنوٹ کی کارکردگی = 40%۔ انجن کی اصل کارکردگی = 60%۔ یہ مشین موجود نہیں ہے۔ ایک مشین کی کارکردگی کارنوٹ کی کارکردگی سے زیادہ نہیں ہو سکتی تھی۔
سوال 4:
کارنوٹ انجن کی کارکردگی 100% (1) تک پہنچنے کے لیے، مطلوبہ خارج ہونے والا درجہ حرارت (T L ) کیا ہے؟
حل
انجن کی کامل کارکردگی 100% تک پہنچنے کے لیے (تمام حرارت کام کرنے کے لیے استعمال کی جا سکتی ہے)، پھر کم درجہ حرارت (T L ) 0 Kelvin ہونا چاہیے۔
0 کیلون کے درجہ حرارت تک پہنچنا ناممکن ہے۔ یہ بیان تھرموڈینامکس کا تیسرا قانون ہے۔
چونکہ r ہر 0 Kelvin ممکن نہیں ہے، تو کامل ہیٹ انجن میں 100% کارکردگی نہیں ہو سکتی۔ چونکہ ہیٹ انجن کے ذریعے 100% کارکردگی حاصل نہیں کی جا سکتی، اس لیے یہ نتیجہ اخذ کیا جا سکتا ہے کہ کام کرنے کے لیے تمام حرارت (Q H ) استعمال کرنا ممکن نہیں ہے۔ کچھ ضائع شدہ حرارت ضرور ہونی چاہیے (Q L )۔
کوئی حرارتی انجن نہیں ہو سکتا (جو ایک چکر میں کام کرتا ہے) جو تمام حرارت کو کام میں بدل دے (تھرموڈائینامکس کا دوسرا قانون، کیلون-پلانک کا بیان)۔
یہ گراف صرف ایک مرحلے میں ہونے والے آئسوتھرمل عمل (آئیسو تھرمل توسیع) کو دکھاتا ہے۔ اس عمل میں تمام حرارت (Q) کو کام (W) میں تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ کام کی مقدار = سایہ دار علاقہ۔
ہیٹ انجن کو مسلسل کام کرنا چاہیے (عمل بار بار ہونا چاہیے، صرف ایک قدم میں نہیں ہو سکتا)۔ مثال کے طور پر، متبادل قسم کا بھاپ انجن۔ متبادل بھاپ کے انجن پر پسٹن کو مسلسل دائیں اور بائیں حرکت کرنی چاہیے، تاکہ پہیے گھوم سکیں (کسی چیز کو حرکت دینے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے)۔ جب پسٹن دائیں طرف رکنے کے لیے حرکت کرتا ہے تو پہیے نہیں گھوم سکتے (عمل صرف ایک مرحلے میں ہوتا ہے)۔ اگر یہ عمل بار بار ہوتا ہے، تو یہ ناممکن ہے کہ تمام حرارت کام میں بدل جائے (کیلون-پلانک کا بیان)۔
بائیں طرف کا گراف ایک isothermal توسیع (نیچے تیر) اور isothermal کمپریشن (اوپر تیر) دکھاتا ہے۔ یہ عمل مسلسل isothermally ہوتا ہے (کوئی کام نہیں ہوتا)۔ دائیں طرف کا گراف ایک isothermal توسیعی عمل (نیچے تیر)، isobaric دبانے کا عمل (بائیں طرف تیر) اور isoc h oric عمل (اوپر تیر) ہے۔ ان دونوں گرافوں سے یہ معلوم ہوتا ہے کہ ایک مسلسل عمل کے لیے ہمیشہ حرارت ضائع ہوتی ہے۔
