Awọn ipilẹ ti Thermodynamics ati Lilo rẹ si Awọn Eto Ẹrọ
Thermodynamics jẹ́ ẹ̀ka fisiksi tí ó ń ṣe àgbéyẹ̀wò ìbáṣepọ̀ láàrín agbára, ooru, àti iṣẹ́, àti bí wọ́n ṣe ní ipa lórí àwọn ohun-ìní ètò kan. Nínú ìmọ̀ ẹ̀rọ, pàápàá jùlọ ìmọ̀ ẹ̀rọ ẹ̀rọ, thermodynamics jẹ́ ìpìlẹ̀ pàtàkì fún ṣíṣe àgbékalẹ̀, ṣíṣàyẹ̀wò, àti ṣíṣe àtúnṣe onírúurú ẹ̀rọ—láti inú ẹ̀rọ ọkọ̀ àti àwọn turbines tí ń mú agbára jáde sí àwọn ètò ìtútù àti àwọn compressors ilé iṣẹ́. Lílóye àwọn ìpìlẹ̀ rẹ̀ ń ran àwọn onímọ̀ ẹ̀rọ lọ́wọ́ láti sọ àsọtẹ́lẹ̀ nípa bí ètò kan ṣe ń ṣiṣẹ́ dáadáa, lílo epo, àwọn ohun tí a nílò láti fi tutù, àti àwọn ààlà iṣẹ́.
1. Àwọn Ìlànà Ìpìlẹ̀: Ètò, Àyíká, àti Ìpínlẹ̀
Àwọn ìjíròrò nípa thermodynamics máa ń bẹ̀rẹ̀ pẹ̀lú ìtumọ̀ ètò náà àti àyíká rẹ̀. Ètò náà ni apá àgbáyé tí ó jẹ́ àfojúsùn ìwádìí, nígbà tí àyíká jẹ́ ohun gbogbo tí ó wà níta ètò náà. Ààlà tí ó ya àwọn méjèèjì sọ́tọ̀ ni a ń pè ní ààlà ètò náà, èyí tí ó lè jẹ́ gidi (fún àpẹẹrẹ, ògiri ọ̀pá kan) tàbí èrò inú.
A maa n pin awọn eto Thermodynamic si awọn wọnyi:
1. Ètò tí a ti pa: ìwọ̀n kò kọjá ààlà ètò náà, ṣùgbọ́n agbára (ooru/iṣẹ́) lè ṣe é. Fún àpẹẹrẹ, ètò sílíńdà-písítọ̀nù tí a ti pa.
2. Ètò ṣíṣí sílẹ̀: agbára àti agbára lè kọjá ààlà. Àpẹẹrẹ ni turbines, compressors, boilers, àti condenser.
3. Ètò tí a yà sọ́tọ̀: kò sí pàṣípààrọ̀ agbára tàbí ìdàpọ̀ pẹ̀lú àyíká (tó dára jùlọ).
Àwọn oníyípadà bíi titẹ (P), iwọn otutu (T), iwọn didun (V), àti àkójọpọ̀ ni a ń pinnu ipò ètò kan. Àwọn ànímọ́ wọ̀nyí lè jẹ́:
– Àwọn ànímọ́ tó lágbára: kò sinmi lórí ìwọ̀n (fún àpẹẹrẹ T, P).
– Àwọn ànímọ́ tó gbòòrò: ó sinmi lórí ìwọ̀n (fún àpẹẹrẹ agbára àpapọ̀, ìwọ̀n àpapọ̀).
Nínú ìṣàyẹ̀wò ẹ̀rọ, pípinnu ipò náà ṣe pàtàkì nítorí pé ipò wíwọlé àti ìjáde omi iṣẹ́ ní ipa lórí iṣẹ́ ẹ̀rọ náà gidigidi, fún àpẹẹrẹ ìwọ̀n otútù àti ìfúnpá steam nínú turbine tàbí ìwọ̀n otútù ti refrigerant nínú evaporator.
2. Agbára, Ooru, àti Iṣẹ́
Thermodynamics n lo agbara ni oniruuru ona. Awon ona meji ti o wọpọ julọ ti paṣipaarọ agbara ni ooru (Q) ati ise (W).
– Ooru ni agbara ti a n gbe nitori awọn iyatọ iwọn otutu.
– Iṣẹ́ ni agbára tí a ń gbé kiri nítorí agbára tí ń ṣiṣẹ́ nípasẹ̀ ìyípadà (fún àpẹẹrẹ iṣẹ́ ọ̀pá lórí turbine tàbí iṣẹ́ ìfúnpọ̀ lórí compressor).
Ni afikun, awọn fọọmu agbara wa ti a fipamọ sinu eto naa, gẹgẹbi:
– Agbára inú (U) ní í ṣe pẹ̀lú agbára afẹ́fẹ́ ti àwọn molecule.
– Agbara Kinetic (KE) ati agbara ti o pọju (PE), ṣe pataki paapaa ninu awọn eto sisan iyara tabi awọn iyatọ giga.
Nínú ẹ̀rọ ẹ̀rọ kan, bíi turbine, agbára omi (enthalpy) máa ń dínkù, a sì máa ń yí i padà sí iṣẹ́ ọ̀pá. Nínú compressor, ìdàkejì rẹ̀ máa ń ṣẹlẹ̀: iṣẹ́ ọ̀pá ni a ń lò láti mú agbára omi pọ̀ sí i.
3. Òfin Òdo ti Thermodynamics: Ìpìlẹ̀ fún Wíwọ̀n Òoru
Òfin Zeroth sọ pé: tí ètò A bá wà ní ìwọ̀n ooru pẹ̀lú B, tí B sì wà ní ìwọ̀n ooru pẹ̀lú C, nígbà náà A wà ní ìwọ̀n ooru pẹ̀lú C. Òfin yìí ni ìpìlẹ̀ fún èrò iwọn otutu, ó sì mú kí ó ṣeé ṣe láti lo àwọn ìwọ̀n otutu.
Nínú ẹ̀rọ kan, ìwọ̀n otútù máa ń pinnu ọ̀pọ̀lọpọ̀ nǹkan: dídára ìjóná, ààlà ohun èlò, ìṣeéṣe, ìwọ̀n ìgbésẹ̀ ooru, àti ìdúróṣinṣin ìpara.
4. Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics: Ìpamọ́ Agbára
Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics sọ pé agbára kò le ṣẹ̀dá tàbí parun; ó le yípadà bí ó ti yẹ. Fún ètò tí a ti pa, ìyípadà nínú agbára inú ni a lè kọ ní ṣókí bí:
\[
\Delta U = Q – W
\]
Iyẹn ni pe, agbara inu ile maa n pọ si ti o ba gba ooru tabi ti a ba se ise lori eto naa.
Fún àwọn ètò ṣíṣí (ìwọ̀n ìṣàkóso) bíi turbines tàbí compressors, a lo ìwọ̀n agbára ìṣàn tí ó ní enthalpy (h) àti àwọn ìyípadà nínú agbára kinetic àti potential. Ní èrò, agbára tí a fi sínú rẹ̀ (nípasẹ̀ ìṣàn ibi, ooru, àti iṣẹ́) gbọ́dọ̀ jẹ́ èyí tí a fi ìwọ̀n agbára àti àwọn ìyípadà nínú agbára tí a tọ́jú pamọ́ ṣe.
Lilo fun awọn ẹrọ:
– Ẹ̀rọ ìgbóná inú: agbára kẹ́míkà ti epo → ooru ìgbóná → apá kan di iṣẹ́ ẹ̀rọ, ìyókù a máa pàdánù nípasẹ̀ àwọn gáàsì èéfín àti ìtútù.
– Boiler: ooru lati inu ijona → mu ki enthalpy omi pọ si titi ti yoo fi di eeru titẹ.
– Agbára ìdènà: ó ń kọ ooru sí àyíká láti yí ooru padà sí omi.
Pẹ̀lú Òfin Àkọ́kọ́, àwọn onímọ̀ ẹ̀rọ lè ṣírò àwọn ohun tí epo nílò, agbára ìgbóná, agbára turbine, tàbí àwọn ohun tí a nílò fún ìtútù radiator.
5. Òfin Kejì ti Thermodynamics: Ìtọ́sọ́nà Ìlànà àti Entropy
Òfin Àkọ́kọ́ kò ṣàlàyé ìdí tí ìlànà kan fi ní ìtọ́sọ́nà àdánidá (fún àpẹẹrẹ, ooru máa ń ṣàn láti gbígbóná sí òtútù). Ibí ni Òfin Kejì ti Thermodynamics ti wọlé. Ní gbogbogbòò, Òfin Kejì sọ pé:
– Kò ṣeé ṣe láti kọ́ ẹ̀rọ ooru kan tí yóò yí gbogbo ooru padà sí iṣẹ́ láìsí àwọn ipa mìíràn.
– Ooru kii yoo ṣàn lairotẹlẹ lati ohun tutu si eyi ti o gbona laisi titẹ sii iṣẹ.
Ìrònú pàtàkì kan nínú Òfin Kejì ni entropy (S), ìwọ̀n ìdàrúdàpọ̀ tàbí ìwọ̀n ìtúká agbára. Nínú àwọn ìlànà gidi, àpapọ̀ entropy (àyíká ètò + àyíká) máa ń pọ̀ sí i:
\[
\Delta S_{gbogbo} \ge 0
\]
Awọn ipa lori awọn eto ẹrọ:
– Àwọn àdánù (àìyípadà) máa ń wà nígbà gbogbo bí ìforígbárí, ìrúkèrúdò, ìyípadà ooru pẹ̀lú ìyàtọ̀ iwọn otutu ńlá, àti àwọn ìlànà ìfàsẹ́yìn.
– Lilo ẹ̀rọ ní ààlà ìmọ̀, fún àpẹẹrẹ, iṣẹ́ tó ga jùlọ ti ẹ̀rọ ooru tó dára jùlọ (Carnot) èyí tó sinmi lórí iwọn otutu orísun gbígbóná àti orísun tútù.
Nínú ṣíṣe ẹ̀rọ, Òfin Kejì gba àwọn ìsapá láti dín àìyípadà kù: mímú kí omi sàn, mímú dídára ìdábòbò ooru sunwọ̀n síi, mímú kí àdánù titẹ dínkù, àti mímú kí àwọn ìlànà gbigbe ooru sunwọ̀n síi.
6. Àwọn Ànímọ́ Àwọn Ohun Èlò àti Ipa Tí Enthalpy Ní
Ọ̀pọ̀lọpọ̀ ẹ̀rọ ẹ̀rọ ló ń lo omi tó ń ṣiṣẹ́ bíi afẹ́fẹ́, èéfín, gáàsì ìjóná, tàbí àwọn ohun èlò ìfọ́. Láti mú kí ìwádìí àwọn ètò ìṣàn omi rọrùn, a máa ń lo enthalpy (h), èyí tí a túmọ̀ sí:
\[
h = u + Pv
\]
Enthalpy wúlò gan-an nínú àwọn ẹ̀rọ bíi turbines, compressors, nozzles, boilers, àti evaporator heat exchangers nítorí pé ó mú kí ó rọrùn láti ṣírò àwọn ìyípadà agbára nínú ìṣàn náà.
Fún àpẹẹrẹ, nínú ìyípo steam (Rankine), a lo data enthalpy ní onírúurú ibi (ìjáde boiler, ìjáde turbine, ìjáde condenser, ìjáde pump) láti ṣírò:
- iṣẹ turbine,
- iṣẹ fifa omi,
– ooru wọ inu igbomikana naa,
– ooru egbin condenser,
– ṣiṣe ooru iyipo.
7. Ìyípo Thermodynamic nínú Ètò Ẹ̀rọ
A maa n ṣe itupalẹ awọn ẹrọ gidi gẹgẹbi awọn iyipo, iyẹn ni, awọn ilana ti o pada si ipo ibẹrẹ. Awọn iyipo pataki ninu imọ-ẹrọ ẹrọ pẹlu:
a. Otto cycle (ẹ̀rọ petirolu)
Ó ṣàpèjúwe ìjóná ní ìwọ̀n tí ó fẹ́rẹ̀ẹ́ dúró ṣinṣin. Ìpíndọ́gba ìfúnpọ̀ ní ipa lórí ìṣiṣẹ́ dáadáa. Ìpíndọ́gba ìfúnpọ̀ tí ó ga jùlọ ń mú kí ìṣiṣẹ́ pọ̀ sí i, ṣùgbọ́n a ní ààlà nípa ìlùkìkì àti agbára ohun èlò.
b. Ìyípo Déésù (ẹ̀rọ díẹ́sù)
Ìjóná máa ń wáyé ní ìfúnpá tí ó fẹ́rẹ̀ẹ́ máa ń dúró ṣinṣin. Àwọn ẹ̀rọ díẹ́sẹ́lì sábà máa ń ní ìpíndọ́gba ìfúnpọ̀ gíga, èyí tí ó máa ń yọrí sí iṣẹ́ tó dára jù àti agbára ìyípo tí ó pọ̀ sí i.
c. Bíìlì Brayton (ẹ̀rọ amúlétutù gaasi)
A n lo o ninu awọn ẹrọ jet ati awọn ile-iṣẹ agbara turbine gaasi. Awọn paati akọkọ ni: compressor, yara ijona, ati turbine. Lilo ṣiṣe pọ si pẹlu ipin ti titẹ titẹ inu turbine ati iwọn otutu, eyiti o jẹ ki awọn ohun elo ti ko ni ooru ati eto itutu abẹfẹlẹ turbine ṣe pataki.
d. Ìyípo Rankine (ẹ̀rọ amúnájáde èéfín)
A n lo o ninu awọn ile-iṣẹ agbara ti a fi eedu ṣe ati awọn eto turbine steam. Iṣẹ iyipo ni a mu dara si nipasẹ igbona giga, atunlo, ati imuna omi ifunni.
e. Ìyípo Ìfúnpọ̀ Afẹ́fẹ́ Fídíìjì
A ń lò ó nínú àwọn ẹ̀rọ afẹ́fẹ́ àti fìríìjì. Àwọn èròjà pàtàkì: compressor, condenser, expansive valve, evaporator. Coefficient of performance (COP) jẹ́ paramita pàtàkì, tí ìyàtọ̀ iwọ̀n otútù láàrín evaporator àti condenser àti ìṣe compressor ń nípa lórí.
8. Lilo Thermodynamics ninu Apẹrẹ ati Iṣapeye Ẹrọ
Ní ìṣe, thermodynamics kò dúró nìkan; ó ní í ṣe pẹ̀lú gbigbe ooru, ẹ̀rọ omi, àwọn ohun èlò, àti ìṣàkóso. Àwọn ohun èlò tí a sábà máa ń lò ni:
– Àyẹ̀wò agbára: ṣírò ibi tí agbára ti ń wọlé àti ibi tí ó ti sọnù, lẹ́yìn náà wá àwọn àǹfààní ìṣeéṣe.
– Yiyan awọn ipo iṣiṣẹ: ṣiṣe ipinnu titẹ ati iwọn otutu ti o dara julọ ninu boiler, compressor, tabi turbine.
– Apẹrẹ paarọ ooru: ṣe idaniloju gbigbe ooru to to laisi pipadanu titẹ pupọ.
– Iṣakoso itujade: ijona ti o munadoko diẹ sii dinku lilo epo ati itujade CO₂; iṣakoso iwọn otutu tun ni ipa lori NOx.
– Isakoso itutu agbaiye: ṣetọju awọn iwọn otutu paati ẹrọ ailewu ati fa igbesi aye iṣẹ gun.
Ipari
Àwọn ìpìlẹ̀ ti thermodynamics—láti àwọn èrò ti àwọn ètò àti ipò, Òfin Zeroth sí Òfin Kejì, àti àwọn ohun ìní ti ohun èlò àti àwọn cycles—pèsè ìlànà ìpìlẹ̀ fún òye bí àwọn ẹ̀rọ ṣe ń ṣiṣẹ́ àti ààlà iṣẹ́ wọn. Òfin Kìíní ń ran lọ́wọ́ láti fi ìdí ìwọ̀n agbára múlẹ̀ àti ṣíṣírò iṣẹ́ àti ooru, nígbà tí Òfin Kejì ń ṣàlàyé ìtọ́sọ́nà àwọn ìlànà àti àwọn orísun àdánù tí ó ń dín ìṣiṣẹ́ kù. Pẹ̀lú òye yìí, àwọn onímọ̀ ẹ̀rọ lè ṣe àwọn ẹ̀rọ tí ó gbéṣẹ́ jù, tí ó ṣeé gbẹ́kẹ̀lé, tí ó sì jẹ́ ti àyíká, nígbà tí wọ́n ń ṣe àtúnṣe iṣẹ́ àwọn ẹ̀rọ agbára káàkiri onírúurú ẹ̀ka ilé iṣẹ́ àti ìrìnnà.
