ناقابل واپسی تھرموڈینامک عمل کی وضاحت کرنے کے لیے، 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۔ RJE Clausius (1822-1888) نامی ایک سائنسدان نے مندرجہ ذیل بیان دیا:
قدرتی طور پر، گرمی زیادہ درجہ حرارت والی اشیاء سے کم درجہ حرارت والی اشیاء کی طرف جاتی ہے۔ قدرتی طور پر، حرارت کم درجہ حرارت والی اشیاء سے زیادہ درجہ حرارت والی اشیاء کی طرف نہیں بڑھتی (تھرموڈائینامکس کا دوسرا قانون—کلاسیئس کا بیان)۔
Clausius کا بیان تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کے خصوصی بیانات میں سے ایک ہے۔ اسے خصوصی بیان کہا جاتا ہے کیونکہ یہ صرف ایک عمل پر لاگو ہوتا ہے، حرارت کی منتقلی سے متعلق۔ چونکہ یہ بیان دوسرے عمل سے متعلق نہیں ہے، ہمیں مزید عمومی بیان کی ضرورت ہے۔ تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کے عمومی بیان کی ترقی ہیٹ انجنوں کے مطالعہ پر مبنی ہے۔ لہذا، ہم سب سے پہلے انجن کی گرمی پر تبادلہ خیال کرتے ہیں.
حرارت کا انجن
زیادہ تر توانائی جو ہم استعمال کرتے ہیں وہ پٹرولیم، گیس، کوئلے میں موجود کیمیائی پوٹینشل انرجی سے آتی ہے۔ براہ راست استعمال کرنے کے لیے استعمال ہونے والی کیمیائی ممکنہ توانائی کو پہلے جلایا جانا چاہیے۔ عام طور پر، جیواشم ایندھن (تیل، گیس، اور کوئلہ) کو جلانے سے گرمی پیدا ہوتی ہے۔ گرمی کو کھانا پکانے، کمرے کو گرم کرنے کے لیے براہ راست استعمال کیا جا سکتا ہے۔ کسی چیز کو حرکت دینے کے لیے (جیسے گاڑی کو حرکت دینا)، ہمیں حرارت کو حرکی توانائی یا مکینیکل توانائی (مکینیکل انرجی = ممکنہ توانائی + حرکی توانائی) میں تبدیل کرنا چاہیے۔
کام کرنے کے لیے حرارت کا استعمال کرنے والا ایک آلہ 1700 میں دریافت ہوا تھا۔ یہ بھاپ کا انجن تھا۔ بھاپ کے انجن کو پہلے کوئلے کی کان سے پانی نکالنے کے لیے استعمال کیا گیا۔
بھاپ کے انجن کا استعمال یہ ہے کہ بھاپ چیزوں کو حرکت دے سکتی ہے۔ بھاپ کے انجنوں میں ہیٹ انجن شامل ہوتا ہے (ہیٹ انجن گرمی کو مکینیکل توانائی میں تبدیل کرنے کا ایک آلہ ہے)۔ اب بھاپ کے انجن کو برقی توانائی پیدا کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ جدید ہیٹ انجن اندرونی دہن کے انجن ہیں جیسے کار کے انجن، موٹر سائیکل کے انجن وغیرہ۔
ہیٹ انجنوں کے استعمال کے پیچھے بنیادی خیال یہ ہے کہ حرارت کو مکینیکل توانائی میں تبدیل کیا جا سکتا ہے اگر حرارت کو زیادہ درجہ حرارت سے کم درجہ حرارت تک بہنے دیا جائے۔ اس عمل کے دوران، کچھ حرارت مکینیکل توانائی میں بدل جاتی ہے (کچھ حرارت کام کرنے کے لیے استعمال ہوتی ہے)، کچھ حرارت کم درجہ حرارت والی جگہوں پر خارج ہوتی ہے۔ حرارت کے انجن میں توانائی اور توانائی کی منتقلی کی شکل بدلنے کا عمل اس خاکہ کی طرح نظر آتا ہے۔
اعلی درجہ حرارت (TH) اور کم درجہ حرارت (TL) کو مشین آپریٹنگ درجہ حرارت کہا جاتا ہے۔ سوالH اعلی درجہ حرارت سے بہنے والی حرارت ہے، جبکہ QL گرمی کم درجہ حرارت والی جگہ پر بہہ رہی ہے۔ جب اعلی درجہ حرارت سے کم درجہ حرارت کی طرف بہتا ہے، تو کچھ حرارت میکانکی توانائی میں تبدیل ہو جاتی ہے (کام کرنے کے لیے استعمال ہوتی ہے)، کچھ حرارت کو Q کے طور پر ضائع کیا جاتا ہے۔L. تمام حرارت کام (W) میں تبدیل نہیں ہو سکتی، ہمیشہ حرارت جاری رہتی ہے (QL)۔ اس طرح، توانائی کے تحفظ کی بنیاد پر، QH = W + QL.
کئی حرارتی انجن ہیں جن میں بھاپ کے انجن اور اندرونی دہن کے انجن شامل ہیں۔
بھاپ کے انجن
بھاپ کے انجن پانی کے بخارات کو حرارت کی منتقلی کے ذریعہ استعمال کرتے ہیں۔ بھاپ کام کرنے والا سیال ہے۔ بھاپ کے انجن کی دو قسمیں ہیں: متبادل بھاپ کے انجن اور ٹربائن بھاپ کے انجن۔ اس انجن کا ڈیزائن مختلف ہے لیکن یہ دونوں قسم کے بھاپ کے انجن بھاپ استعمال کرتے ہیں جو تیل، گیس، کوئلہ جلا کر یا جوہری توانائی استعمال کر کے گرم کیا جاتا ہے۔
اندرونی دہن کے انجن
موٹر سائیکل کے انجن اور کار کے انجن اندرونی دہن کے انجن کی مثالیں ہیں۔ اسے اندرونی دہن انجن کہا جاتا ہے کیونکہ دہن کا عمل بند سلنڈروں کے اندر ہوتا ہے۔ اندرونی دہن انجن کی موجودگی adiabatic کمپریشن اور توسیع کے انجینئرنگ تصور کا نتیجہ ہے۔
حرارتی انجن کی کارکردگی
ہیٹ انجن کی کارکردگی (ای) اعلی درجہ حرارت (Q H ) پر ہیٹ ان پٹ کے ساتھ مشین کے ذریعہ انجام دیئے گئے کام (W) کے درمیان موازنہ ہے۔
W موصول ہونے والا نفع ہے، جبکہ Q H ایندھن خریدنے اور جلانے پر اٹھنے والی لاگت ہے۔ بحیثیت انسان جو ہمیشہ زیادہ سے زیادہ منافع اور چھوٹے سے اخراجات حاصل کرنا چاہتے ہیں، ہم امید کرتے ہیں کہ منافع میں اضافہ (W) اس لاگت کے متناسب ہے جو ہم خرچ کرتے ہیں (Q H )۔ کیا ایسا ہو سکتا ہے؟
توانائی کے تحفظ کی بنیاد پر، حرارت (Q H ) کام (W) + خارج ہونے والی حرارت (Q L ) کے برابر ہونی چاہیے۔
مساوات 1 میں W کو مساوات 2 میں W کے ساتھ بدل دیں۔
یہ ہیٹ انجن کی کارکردگی کی مساوات ہے۔
سوال 1:
ایک ہیٹ انجن 3000 Joules (Q H ) حرارت جذب کرتا ہے، کام کرتا ہے (W) اور 2500 Joules (Q L ) گرمی کو ہٹاتا ہے۔ انجن کی حرارت کی کارکردگی کا حساب لگائیں۔
حل
ہیٹ انجن کی کارکردگی = 17%۔
سوال 2:
ایک ہیٹ انجن 3000 جول حرارت (Q H ) جذب کرتا ہے، کام کرتا ہے (W) اور 2000 Joule گرمی (Q L ) کو ہٹاتا ہے۔ گرمی کے انجن کی کارکردگی کا حساب لگائیں۔
حل
ہیٹ انجن کی کارکردگی = 34%۔
سوال 3:
ایک ہیٹ انجن 3000 Joules گرمی (Q H ) جذب کرتا ہے، کام کرتا ہے (W) اور زیادہ سے زیادہ 1500 Joules گرمی (Q L ) کو باہر پھینکتا ہے۔ گرمی کے انجن کی کارکردگی کا حساب لگائیں؟
حل
ہیٹ انجن کی کارکردگی = 50%۔
