גרונטלעכע יסודות פון טערמאדינאמיק און איר אנווענדונג צו מאשינען סיסטעמען
טערמאדינאמיק איז א צווייג פון פיזיק וואס שטודירט די באציאונגען צווישן ענערגיע, היץ, און ארבעט, און ווי זיי ווירקן אויף די אייגנשאפטן פון א סיסטעם. אין אינזשעניריע, ספעציעל מעכאנישע אינזשעניריע, איז טערמאדינאמיק א קריטישע יסוד פארן דיזיינען, אנאליזירן, און אפטימיזירן א ברייטע קייט פון מאשינען - פון אויטא מאטארן און מאכט-גענערירנדע טורבינעס ביז קיל סיסטעמען און אינדוסטריעלע קאמפרעסארן. פארשטיין אירע יסודות העלפט אינזשענירן פאראויסזאגן א סיסטעם'ס עפעקטיווקייט, ברענשטאף פארברויך, קיל באדערפענישן, און פערפארמאנס לימיטן.
1. גרונטלעכע קאנצעפטן: סיסטעם, סביבה, און צושטאנד
דיסקוסיעס וועגן טערמאדינאמיק הייבן זיך שטענדיק אן מיט די דעפיניציעס פון דער סיסטעם און איר סביבה. די סיסטעם איז דער טייל פון דער וועלט וואס איז דער פאקוס פון אנאליז, בשעת די סביבה איז אלעס אינדרויסן פון דער סיסטעם. די גרענעץ וואס טיילט די צוויי ווערט גערופן די סיסטעם גרענעץ, וואס קען זיין רעאל (למשל, די וואנט פון א רער) אדער אויסגעטראכט.
טערמאדינאמישע סיסטעמען ווערן בכלל קלאסיפיצירט אין:
1. פארמאכטע סיסטעם: מאַסע גייט נישט אריבער די סיסטעם גרענעץ, אָבער ענערגיע (היץ/ארבעט) קען יאָ. למשל, אַ פארמאכטע צילינדער-פּיסטאָן סיסטעם.
2. אפענע סיסטעם: מאַסע און ענערגיע קענען אריבערגיין גרענעצן. ביישפילן זענען טורבינעס, קאָמפּרעסאָרן, בוילערס און קאָנדענסערס.
3. אפגעזונדערטע סיסטעם: עס איז נישטא קיין אויסטויש פון מאסע אדער ענערגיע מיט דער סביבה (אידעאל).
דער צושטאנד פון א סיסטעם ווערט באשטימט דורך וועריאַבלען ווי דרוק (P), טעמפּעראַטור (T), באַנד (V), און צוזאַמענשטעל. די אייגנשאַפטן קענען זיין:
– אינטענסיווע אייגנשאפטן: זענען נישט אָפּהענגיק פון מאַסע (למשל ט, פּ).
– ברייטע אייגנשאפטן: הענגען אָפּ פון מאַסע (למשל גאַנץ ענערגיע, גאַנץ באַנד).
אין מאַשין אַנאַליז, איז באַשטימען דעם צושטאַנד וויכטיק ווייל די מאַשין פאָרשטעלונג איז שטאַרק באַאיינפלוסט דורך די אַרייַנגאַנג און אַרויסגאַנג באדינגונגען פון די אַרבעט פליסיק, למשל די טעמפּעראַטור און דרוק פון די דאַמף אין די טורבינע אָדער די טעמפּעראַטור פון די קילמאַטעריאַל אין די פארדאַמפּפער.
2. ענערגיע, היץ, און ארבעט
טערמאדינאמיק באהאנדלט ענערגיע אין פארשידענע פארמען. די צוויי מערסטע פארשפרייטע פארמען פון ענערגיע אויסטויש זענען היץ (Q) און ארבעט (W).
– היץ איז ענערגיע וואָס ווערט טראַנספערירט צוליב טעמפּעראַטור אונטערשיידן.
– ארבעט איז ענערגיע וואָס ווערט טראַנספערירט צוליב אַ קראַפט וואָס אַקט דורך פֿאַרשייבונג (למשל שאַפט-ארבעט אויף אַ טורבינע אָדער קאַמפּרעסיע-ארבעט אויף אַ קאָמפּרעסאָר).
דערצו, זענען דא פארמען פון ענערגיע וואס ווערן געהאלטן אין סיסטעם, ווי צום ביישפיל:
– אינערלעכע ענערגיע (U) איז פֿאַרבונדן מיט דער מיקראָסקאָפּישער ענערגיע פֿון מאָלעקולן.
– קינעטיש ענערגיע (KE) און פאטענציעלע ענערגיע (PE), זענען וויכטיג ספעציעל אין שנעל-פלוס סיסטעמען אדער הייך-אונטערשיידן.
אין אַ מאַשין סיסטעם, ווי אַ טורבינע, ווערט פליסיק ענערגיע (ענטהאַלפּיע) פאַרקלענערט און פאַרוואַנדלט אין שאַפט אַרבעט. אין אַ קאָמפּרעסאָר פּאַסירט דאָס פאַרקערטע: שאַפט אַרבעט ווערט גענוצט צו פאַרגרעסערן פליסיק ענערגיע.
3. נולטער געזעץ פון טערמאדינאמיק: די באזיס פאר טעמפעראטור מעסטונג
דער נולטער געזעץ זאגט: אויב סיסטעם א איז אין טערמישן גלייכגעוויכט מיט ב, און ב איז אין טערמישן גלייכגעוויכט מיט ג, דאן איז א אין טערמישן גלייכגעוויכט מיט ג. דער געזעץ איז די באזע פארן קאנצעפט פון טעמפעראטור און מאכט מעגלעך די נוצן פון טערמאמעטערס.
אין אַ מאָטאָר, באַשטימט טעמפּעראַטור אַ סך זאַכן: פֿאַרברענונג קוואַליטעט, מאַטעריאַל לימיטן, עפֿעקטיווקייט, היץ איבערפֿירונג קורס, און אפילו לובריקאַציע פעסטקייט.
4. ערשטער געזעץ פון טערמאדינאמיק: קאנסערוואציע פון ענערגיע
דער ערשטער געזעץ פון טערמאדינאמיק זאגט אז ענערגיע קען נישט באשאפן אדער פארניכטעט ווערן; עס קען נאר טוישן פארעם. פאר א פארמאכטן סיסטעם, קען די ענדערונג אין אינערליכער ענערגיע געשריבן ווערן פשוט ווי:
\[
\דעלטאַ U = Q – W
\]
דאס הייסט, אינערליכע ענערגיע פארגרעסערט זיך אויב עס באקומט היץ אדער אויב ארבעט ווערט געטאן אויף דער סיסטעם.
פֿאַר אָפֿענע סיסטעמען (קאָנטראָל וואַליומען) ווי טורבינעס אָדער קאָמפּרעסאָרן, ווערט גענוצט אַ פֿלוס ענערגיע באַלאַנס וואָס נעמט אַרײַן ענטהאַלפּי (h) און ענדערונגען אין קינעטישע און פּאָטענציעלע ענערגיע. קאָנצעפּטועל, מוז די ענערגיע אַרײַנגאַנג (דורך מאַסע פֿלוס, היץ און אַרבעט) באַלאַנסירט ווערן דורך די ענערגיע אַרויסגאַנג און ענדערונגען אין געשפּאָרענע ענערגיע.
אַפּליקאַציע צו מאַשינען:
– אינערלעכע פארברענונג מאטאר: כעמישע ענערגיע פון ברענשטאָף → היץ פון פארברענונג → א טייל ווערט מעכאנישע ארבעט, די רעשט גייט פארלוירן דורך אויספּוף גאזן און קילן.
– קעסל: היץ פון פארברענונג → פארגרעסערט די ענטהאלפיע פון וואסער ביז עס ווערט דרוק-פארע.
– קאָנדענסער: אָפּוואַרפט היץ צו דער סביבה צו טוישן פארע אין פליסיקייט.
מיטן ערשטן געזעץ קענען אינזשענירן אויסרעכענען ברענשטאָף באדערפענישן, בוילער קאַפּאַציטעט, טורבין מאַכט, אדער ראַדיאַטאָר קילונג באדערפענישן.
5. צווייטער געזעץ פון טערמאדינאמיק: ריכטונג פון פראצעס און ענטראפיע
דער ערשטער געזעץ דערקלערט נישט פארוואס א פראצעס האט א נאטירלעכע ריכטונג (למשל, היץ פליסט שטענדיג פון הייס צו קאלט). דא קומט אריין דער צווייטער געזעץ פון טערמאדינאמיק. בכלל, זאגט דער צווייטער געזעץ אז:
– עס איז אוממעגלעך צו בויען א היץ מאטאר וואס פארוואנדלט אלע היץ אין ארבעט אן קיין אנדערע עפעקטן.
– היץ וועט נישט פליסן ספאנטאן פון א קאלטן אביעקט צו א הייסן אן קיין ארבעט.
א וויכטיגע קאנצעפט אין דעם צווייטן געזעץ איז ענטראפיע (S), א מאס פון דער אומארדנונג אדער ראטע פון פארשפרייטונג פון ענערגיע. אין רעאלע פראצעסן, טענדירט די גאנצע ענטראפיע (סיסטעם + סביבה) צו וואקסן:
\[
\דעלטאַ ס_{טאָטאַל} \גע 0
\]
אימפליקאציעס אויף מאָטאָר סיסטעמען:
– עס זענען שטענדיק דא פארלוסטן (אומאומקערלעכקייט) ווי למשל רייבונג, טורבולענץ, היץ-איבערפיר מיט גרויסע טעמפעראטור-אונטערשיידן, און פארשטארקנדיקע פראצעסן.
– מאָטאָר עפעקטיווקייט האט טעאָרעטישע גרענעצן, למשל די מאַקסימום עפעקטיווקייט פון אַן אידעאַלן היץ מאָטאָר (קאַרנאָט) וואָס דעפּענדס אויף דער טעמפּעראַטור פון דער הייסער מקור און דער קאַלטער מקור.
אין מאַשין פּלאַן, דער צווייטער געזעץ מוטיקט השתדלות צו רעדוצירן יריווערסאַביליטי: גלעטן פליסיק לויפן, פֿאַרבעסערן טערמישע ינסאַליישאַן קוואַליטעט, מינאַמייז דרוק פארלוסטן, און אָפּטימיזירן היץ אַריבערפירן פּראַסעסאַז.
6. אייגנשאפטן פון סובסטאנצן און די ראלע פון ענטאלפי
פילע מאַשין סיסטעמען נוצן אַרבעטס פליסיקייטן ווי לופט, פארע, פארברענונג גאַזן, אדער קילמאַטעריאַלן. צו דערמעגלעכן אַנאַליז פון פלוס סיסטעמען, ווערט ענטהאַלפּיע (h) גענוצט, וואָס איז דעפינירט ווי:
\[
ה = u + Pv
\]
ענטהאלפּי איז זייער נוצלעך אין דעוויסעס ווי טורבינען, קאָמפּרעסאָרן, נאַזאַלז, בוילערס און היץ וועקסלערס ווייַל עס מאכט עס גרינגער צו רעכענען די ענערגיע ענדערונגען אין די לויפן.
אין דעם דאַמף (ראַנקין) ציקל, למשל, ווערן ענטהאַלפּיע דאַטן ביי פֿאַרשידענע פּונקטן (קעסל אַרויסגאַנג, טורבין אַרויסגאַנג, קאָנדענסער אַרויסגאַנג, פּאָמפּע אַרויסגאַנג) גענוצט צו רעכענען:
– טורבין ארבעט,
– פּאָמפּע אַרבעט,
– היץ גייט אריין אין בוילער,
– קאָנדענסער אָפּפאַל היץ,
– ציקל טערמישע עפעקטיווקייט.
7. טערמאדינאמישער ציקל אין מאטאר סיסטעם
עכטע מאשינען ווערן אָפט אַנאַליזירט ווי ציקלען, דאָס הייסט, אַ סעריע פּראָצעסן וואָס קומען צוריק צו אַן אָנהייב צושטאַנד. וויכטיקע ציקלען אין מעכאַנישער אינזשעניריע אַרייַננעמען:
א. אָטאָ ציקל (בענזין מאָטאָר)
באַשרײַבט פֿאַרברענונג בײַ כּמעט קאָנסטאַנטן וואָלומען. עפֿיקאַציע ווערט באַאײַנפֿלוסט דורך דעם קאָמפּרעסיע־פֿאַרהעלטעניש. העכערע קאָמפּרעסיע־פֿאַרהעלטענישן פֿאַרגרעסערן עפֿיקאַציע, אָבער ווערן באַגרענעצט דורך קלאַפּן און מאַטעריאַל־שטאַרקייט.
ב. דיזל ציקל (דיזל מאָטאָר)
פארברענונג פאסירט ביי כמעט קאנסטאנטן דרוק. דיזל מאטארן האבן בכלל העכערע קאמפרעסיע ראטיאס, וואס פירט צו בעסערע עפעקטיווקייט און גרעסערן דריימארק.
ג. ברייטאָן ציקל (גאַז טורבינע)
געניצט אין דזשעט מאטארן און גאז טורבין קראפטווערק. די הויפט קאמפאנענטן זענען: קאמפרעסאר, פארברענונג קאמער, און טורבין. עפעקטיווקייט וואקסט מיטן פארהעלטעניש פון טורבין אריינגאנג דרוק און טעמפעראטור, מאכנדיג היץ-קעגנשטעליקע מאטעריאלן און די טורבין בלייד קיל סיסטעם קריטיש.
ד. ראַנקין ציקל (דאַמף גענעראַטאָר)
גענוצט אין קוילן-געפייערטע קראפטווערק און פארע טורבין סיסטעמען. ציקל פאָרשטעלונג ווערט פֿאַרבעסערט דורך איבערהייצן, ווידערהייצן, און רעגענעראַטיווע וואַסער-הייצונג.
ה. פארע קאמפרעשאן קילציקל
גענוצט אין לופטקילונג מאשינען און פרידזשידערס. הויפט קאמפאנענטן: קאמפרעסאר, קאנדענסאר, עקספאנסיאן ווענטיל, פארדאמפער. דער קאעפיציענט פון פערפארמענס (COP) איז א שליסל פאראמעטער, באאיינפלוסט דורך דעם טעמפעראטור אונטערשייד צווישן דעם פארדאמפער און קאנדענסאר און די קאמפרעסאר'ס עפעקטיווקייט.
8. אַפּליקאַציע פון טערמאָדינאַמיק אין מאַשין פּלאַן און אָפּטימיזאַציע
אין פּראַקטיק, שטייט טערמאָדינאַמיק נישט אַליין; עס איז פֿאַרבונדן מיט היץ־איבערפֿירונג, פֿליסיקייט־מעכאַניק, מאַטעריאַלן און קאָנטראָל. געוויינטלעכע אַפּליקאַציעס אַרייַננעמען:
– ענערגיע אוידיט: אויסרעכענען וואו ענערגיע גייט אריין און וואו עס גייט פארלוירן, און דערנאך זוכן מעגלעכקייטן פאר עפעקטיווקייט.
– אויסוואל פון אפעראציע באדינגונגען: באשטימען דעם אפטימאלן דרוק און טעמפעראטור אין דעם בוילער, קאמפרעסאר, אדער טורבין.
– היץ וועקסלער פּלאַן: ענשורז גענוג היץ אַריבערפירן אָן יבעריק דרוק פארלוסטן.
– עמיסיע קאנטראל: מער עפעקטיווע פארברענונג פארקלענערט ברענשטאָף קאנסומאציע און CO₂ עמישאַנז; טעמפּעראַטור קאנטראל ווירקט אויך אויף NOx.
– קיל-פאַרוואַלטונג: האַלט זיכערע טעמפּעראַטורן פון מאָטאָר קאָמפּאָנענטן און פאַרלענגערט די לעבן פון די סערוויס.
קעסימפּולאַן
די יסודות פון טערמאדינאמיק—פון די קאנצעפטן פון סיסטעמען און צושטאנדן, דעם נולטן געזעץ ביזן צווייטן געזעץ, און די אייגנשאפטן פון מאטעריע און ציקלען—געבן דעם גרונט-ראם פארן פארשטיין ווי מאשינען ארבעטן און די גרענעצן פון זייער אויפטוען. דער ערשטער געזעץ העלפט אויפשטעלן ענערגיע באלאנסן און רעכענען ארבעט און היץ, בשעת דער צווייטער געזעץ דערקלערט די ריכטונג פון פראצעסן און די מקורים פון פארלוסטן וואס באגרענעצן עפעקטיווקייט. מיט דעם פארשטאנד קענען אינזשענירן דיזיינען מער עפעקטיווע, פארלעסלעכע, און סביבה-פריינדלעכע מאשינען, בשעת זיי אפטימיזירן די אפעראציע פון ענערגיע סיסטעמען אין פארשידענע אינדוסטריעלע און טראנספארטאציע סעקטארן.
