Lilo Ofin Keji ti Thermodynamics si Awọn Ẹrọ Ooru
Ẹ̀rọ ooru jẹ́ ọ̀kan lára àwọn ohun èlò tó ṣe pàtàkì jùlọ nínú ìtàn ìmọ̀ ẹ̀rọ nítorí pé ó jẹ́ kí àwọn ènìyàn yí agbára ooru padà sí iṣẹ́ ẹ̀rọ tó wúlò. Láti inú àwọn ẹ̀rọ steam ti Iyika Iṣẹ́-ọnà sí àwọn turbines gaasi àti àwọn ẹ̀rọ iná inú ọkọ̀ òde òní, èrò ìpìlẹ̀ ẹ̀rọ ooru ṣì wà bẹ́ẹ̀: orísun ooru, ibi ìfọṣọ ooru, àti iṣẹ́ tí a ṣe. Ṣùgbọ́n ṣé gbogbo ooru lè di iṣẹ́ ní 100% ìgbà náà? Kí ló dé tí àwọn "pàdánù" tí a kò lè yẹ̀ sílẹ̀ máa ń wà nígbà gbogbo? Ìdáhùn náà wà nínú Òfin Kejì ti Thermodynamics. Òfin yìí kì í ṣe òfin ìmọ̀ lásán, ṣùgbọ́n ó jẹ́ ààlà ìpìlẹ̀ tí ó ń pinnu bí ẹ̀rọ ooru ṣe lè ṣiṣẹ́ dáadáa tó àti bí a ṣe yẹ kí a ṣe é.
Àkótán Àwọn Ẹ̀rọ Ooru
Ní ṣókí, ẹ̀rọ ooru jẹ́ ètò kan tí ó ń ṣiṣẹ́ bí onípele láti yí díẹ̀ lára agbára ooru tí ń bọ̀ padà sí iṣẹ́. Nínú ìyípo kan, ẹ̀rọ náà máa ń gba ooru láti inú ibi ìpamọ́ ooru gbígbóná (fún àpẹẹrẹ, jíjóná epo tàbí ohun èlò amúlétutù), ó máa ń ṣe iṣẹ́ (fún àpẹẹrẹ, yíyí ọ̀pá), lẹ́yìn náà ó máa ń kọ ooru tí ó kù sílẹ̀ sí ibi ìpamọ́ tutu (fún àpẹẹrẹ, afẹ́fẹ́ òde tàbí omi ìtútù). Àwọn ohun mẹ́ta wọ̀nyí—ibi ìpamọ́ ooru gbígbóná, ẹ̀rọ, àti ibi ìpamọ́ tutu—wà nígbà gbogbo nínú ẹ̀rọ ooru gidi kan.
Tí a bá lo àmì tí a sábà máa ń lò:
– Ẹ̀rọ náà máa ń gba ooru láti orísun ooru tó tó Qₕ (ìwọlé ooru).
– Ẹ̀rọ náà ń ṣiṣẹ́ ti W.
– Ẹ̀rọ náà máa ń tú ooru sí àyíká tàbí orísun òtútù ní iye Q𝑐.
Gẹ́gẹ́ bí Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics (ìpamọ́ agbára), àwọn wọ̀nyí ló wúlò:
Qₕ = W + Q𝑐
Èyí túmọ̀ sí wípé iṣẹ́ tí a ṣe ni ìyàtọ̀ láàárín ìgbóná tí a fi sínú àti ooru tí a sọnù. Síbẹ̀síbẹ̀, Òfin Àkọ́kọ́ kò ṣàlàyé ìdí tí Q𝑐 kò fi lè jẹ́ òdo. Níbí ni Òfin Kejì ti kó ipa pàtàkì.
Gbólóhùn Òfin Kejì ti Thermodynamics
A le sọ Ofin Keji ti Thermodynamics ni ọpọlọpọ awọn fọọmu ti o baamu, ṣugbọn awọn gbolohun meji ti o ṣe pataki julọ si awọn ẹrọ ooru ni:
1. Gbólóhùn Kelvin–Planck:
Kò ṣeé ṣe láti ṣe ẹ̀rọ ooru kan tí ó ń ṣiṣẹ́ ní ìpele kan tí ó sì ń yí gbogbo ooru tí a fà láti inú àpò kan padà sí iṣẹ́ láìsí pé a kọ̀ ooru sí àpò mìíràn.
Ni awọn ọrọ miiran, ko ṣee ṣe fun ẹrọ ooru lati ni agbara 100%.
2. Gbólóhùn Clausius:
Kò ṣeé ṣe fún ooru láti gbé láti ohun tútù sí ohun gbígbóná láìsí iṣẹ́ láti òde.
Èyí ṣàlàyé ìdí tí àwọn fìríìjì/AC fi nílò agbára iná mànàmáná: láti “fi agbára mú” ooru láti lọ sí ìtọ́sọ́nà àdánidá rẹ̀.
Àwọn gbólóhùn méjèèjì ṣàpèjúwe ìlànà kan ní gidi: àwọn ìlànà àdánidá ní ìtọ́sọ́nà (agbára tí kò lè yí padà), àti pé àwọn ààlà pàtàkì wà fún ìyípadà agbára ooru sí agbára tí ó wúlò.
Ìtọ́sọ́nà Entropy àti Ìlànà Ìlànà
Èrò pàtàkì kan tó ń jáde láti inú Òfin Kejì ni entropy (S), iye kan tí a sábà máa ń mọ̀ gẹ́gẹ́ bí ìwọ̀n ìpínkiri agbára tàbí ìwọ̀n ìdàrúdàpọ̀, bó tilẹ̀ jẹ́ pé ìtumọ̀ thermodynamic rẹ̀ jẹ́ èyí tó wọ́pọ̀ jù. Fún ìlànà tó lè yí padà, a túmọ̀ ìyípadà nínú entropy sí:
dS = δQ_rev / T
Òfin Kejì sọ pé fún ètò kan tí a dá dúró, gbogbo entropy kò dínkù rárá:
ΔS_lapapọ ≥ 0
Nínú ẹ̀rọ ooru, nígbà tí ooru bá ń ṣàn láti orísun gbígbóná sí orísun tútù, gbogbo entropy máa ń pọ̀ sí i. Kí ẹ̀rọ náà tó lè ṣe iṣẹ́, ó ń lo “ìṣàn” agbára ooru yìí, ṣùgbọ́n ó gbọ́dọ̀ tẹ̀lé ìlànà pé gbogbo entropy kò gbọdọ̀ dínkù. Nítorí náà, a gbọ́dọ̀ kọ̀ ooru kan sílẹ̀ sí ibi ìpamọ́ tútù nígbà gbogbo. Ìkọ̀sílẹ̀ yìí kì í ṣe àdánù ìmọ̀-ẹ̀rọ lásán, ṣùgbọ́n ó jẹ́ ohun pàtàkì fún ohun tí a nílò láti mú kí entropy náà ṣẹ.
Lilo Ẹ̀rọ Ooru ati Ààlà Carnot
A ṣalaye ṣiṣe ooru ti ẹrọ ooru gẹgẹbi ipin ti iṣẹ ti a ṣe si ooru ti a gba lati orisun ooru:
η = W / Qₕ = (Qₕ - Q𝑐) / Qₕ = 1 - (Q𝑐 / Qₕ)
Òfin Kejì fi opin si iye ti o pọ julọ ti η. Ẹ̀rọ ooru ti o munadoko julọ ni ẹ̀rọ Carnot, ẹ̀rọ ti o dara julọ ti o n ṣiṣẹ pada laarin awọn ibi ipamọ meji ni iwọn otutu Tₕ (gbona) ati T𝑐 (otutu) ni Kelvin. A fun ni agbara Carnot ti o pọ julọ nipasẹ:
η_Carnot = 1 - (T𝑐 / Tₕ)
Àgbékalẹ̀ yìí fi àwọn ohun pàtàkì méjì hàn:
1. Iṣẹ́ tó pọ̀ jùlọ sinmi lórí iwọ̀n otútù inú omi nìkan, kìí ṣe lórí irú omi tó ń ṣiṣẹ́ tàbí àwọn kúlẹ̀kúlẹ̀ àpẹẹrẹ ẹ̀rọ.
2. Láti mú kí iṣẹ́ wa sunwọ̀n síi, a gbọ́dọ̀ mú kí Tₕ pọ̀ sí i tàbí kí a dín T❑� kù. Síbẹ̀síbẹ̀, àwọn méjèèjì ní ààlà nípa àwọn ohun èlò, ààbò, iye owó, àti àwọn ipò àyíká.
Àpẹẹrẹ: tí Tₕ = 900 K àti T𝑐 = 300 K, nígbà náà:
η_Carnot = 1 - 300/900 = 1 - 1/3 = 0,667 (66,7%)
Èyí ni ààlà tó dára jùlọ. Àwọn ẹ̀rọ gidi yóò ní agbára tó kéré síi nítorí ìforígbárí, ìpàdánù ooru, ìjóná tí kò pé, àti àwọn nǹkan mìíràn tí a kò le yípadà.
Àìyípadà nínú Àwọn Ẹ̀rọ Tòótọ́
Òfin Kejì tún ṣàlàyé ìdí tí àwọn ẹ̀rọ gidi kò fi lè ṣe àṣeyọrí Carnot. Ohun pàtàkì tó fà á ni àìyípadà, èyí tí í ṣe ìlànà tó ń mú kí entropy jáde. Àwọn orísun kan tí kò ṣeéyípadà nínú àwọn ẹ̀rọ ooru ni:
– Ìfọ́mọ́ra ẹ̀rọ lórí àwọn ọ̀pá, àwọn béárì àti àwọn ohun èlò tí ń gbéra.
– Gbigbe ooru nipasẹ iyatọ iwọn otutu nla, fun apẹẹrẹ ooru lati inu yara ijona ti o gbona pupọ si omi ti n ṣiṣẹ; iru gbigbe yii n mu entropy ti o tobi ju ilana ti o dara julọ lọ.
– Ríru àti pípadánù ìfúnpọ̀ nínú ìṣàn omi nínú àwọn páìpù, àwọn fálùfù àti àwọn turbines.
– Àdàpọ̀ gaasi àti afẹ́fẹ́ tàbí àwọn ọjà ìjóná tí kò ṣeé yípadà.
– Ìjóná ara rẹ̀ jẹ́ ìlànà tí kò ṣeé yípadà.
Gbogbo àwọn nǹkan wọ̀nyí ń mú kí gbogbo entropy pọ̀ sí i, wọ́n sì ń “lo” agbára láti ṣe iṣẹ́, nítorí náà, iṣẹ́ ṣíṣe máa ń dínkù.
Lilo ninu Awọn Ẹrọ Ijona inu ati Awọn Ile-iṣẹ Agbara Steam
Nínú àwọn ẹ̀rọ ìjóná inú (bíi àwọn ẹ̀rọ epo petirolu àti diesel), orísun ooru wá láti inú ìṣesí ìjóná inú sílíńdà náà. Ẹ̀rọ náà máa ń gba ooru (ní ọ̀nà tó dára) ní ìwọ̀n otútù gíga nígbà tí wọ́n bá ń jóná, lẹ́yìn náà ó máa ń kọ ooru náà sílẹ̀ nípasẹ̀ àwọn gáàsì afẹ́fẹ́ àti ètò ìtútù (radiator). Òfin Kejì ṣàlàyé ìdí tí àwọn ẹ̀rọ ọkọ̀ fi máa ń mú ooru ìdọ̀tí jáde nígbà gbogbo: kò ṣeé ṣe láti yí gbogbo agbára epo náà padà sí iṣẹ́ ọ̀pá.
Nínú ilé iṣẹ́ tí a ń lo iná mànàmáná (PLTU), a máa ń mú omi gbóná sí èéfín gíga láti yí turbine padà. Lẹ́yìn tí a bá ti la turbine kọjá, a máa ń tutù èéfín náà nínú condenser láti padà sí omi, a sì lè tún fa omi náà jáde. Condenser yìí ń ṣiṣẹ́ gẹ́gẹ́ bí ibi ìpamọ́ tútù. Ọ̀pọ̀ ènìyàn ka condenser sí “ìṣòfò agbára,” ṣùgbọ́n ní ti thermodynamics, ìtújáde ooru jẹ́ ohun tí a nílò fún cycle náà láti tẹ̀síwájú àti fún entropy pátápátá láti má ṣe rú Òfin Kejì. Nítorí náà, a sábà máa ń kọ́ àwọn PLTU nítòsí àwọn orísun omi ńlá fún ìtútù, tàbí kí a lo àwọn ilé ìṣọ́ ìtútù.
Àwọn Ọgbọ́n Ìdàgbàsókè Iṣẹ́ Tí A Dá Lórí Òfin Kejì
Nítorí pé Òfin Kejì gbé ààlà kalẹ̀, àwọn àtúnṣe sí àwọn ẹ̀rọ ooru dojúkọ ìdínkù àìyípadà àti fífẹ̀ ìwọ̀n otútù tó gbéṣẹ́. Àwọn ọgbọ́n kan tí ó wọ́pọ̀ ni:
– Gbigbe ooru pupọ ati atunṣe ni iyipo Rankine (PLTU) lati mu iwọn otutu titẹ si turbine pọ si.
– Àtúnṣe (ohun èlò ìgbóná omi) láti lo ooru ìdọ̀tí láti mú kí omi ìgbóná gbóná, èyí tí yóò dín àwọn ohun tí ó nílò láti mú kí ooru gbóná kù.
– Ìyípo àpapọ̀ (ìyípo gaasi-èéfín àpapọ̀), níbi tí a ti ń lo ooru èéfín láti inú turbine gaasi láti mú èéfín tí ó ń wakọ turbine steam jáde. Èyí mú kí lílo agbára ooru sunwọ̀n síi, ó sì mú kí ètò náà sún mọ́ àwọn ààlà iṣẹ́ rẹ̀ tí ó ga jùlọ.
– Àwọn ohun èlò tí a mú sunwọ̀n síi kí àwọn èròjà lè ṣiṣẹ́ ní iwọ̀n otútù gíga láìsí ìbàjẹ́, èyí sì ń mú kí Tₕ pọ̀ sí i.
– Din ìfọ́mọ́ra àti ìṣàn kù nípasẹ̀ àpẹẹrẹ aerodynamic turbine, fífún ní epo tó dára jù, àti ìṣàfilọ́lẹ̀ ọ̀nà omi.
Gbogbo àwọn ìsapá wọ̀nyí jẹ́ àwọn ìlò tó wúlò nínú Òfin Kejì: ṣíṣàkóso entropy àti dídín ìṣẹ̀dá entropy kù kí a lè yí agbára ooru púpọ̀ sí i padà sí iṣẹ́.
Ipari
Lílo Òfin Kejì ti Thermodynamics sí àwọn ẹ̀rọ ooru fi ààlà pàtàkì kan hàn tí kò sí ìmọ̀ ẹ̀rọ tí ó lè borí: kò sí ẹ̀rọ tí ó lè yí gbogbo ooru padà sí iṣẹ́ ní ìyípo kan ṣoṣo. Wíwà àwọn ibi ìpamọ́ tútù àti àwọn ibi ìtẹ̀sí ooru kì í ṣe àbùkù àwòrán lásán, ṣùgbọ́n ó jẹ́ àbájáde tààrà ti ìtọ́sọ́nà àdánidá ti ilana náà àti ìbísí nínú entropy. Nípasẹ̀ àwọn èrò nípa ìṣiṣẹ́, ààlà Carnot, àti ìṣàyẹ̀wò àìyípadà, Òfin Kejì pèsè ìtọ́sọ́nà pàtàkì fún ṣíṣe àwọn ẹ̀rọ tí ó gbéṣẹ́ jù—láti àwọn ẹ̀rọ ọkọ̀ ayọ́kẹ́lẹ́ sí àwọn ilé iṣẹ́ agbára ńlá. Nípa lílóye Òfin Kejì, kì í ṣe pé a mọ “ìdí tí ìṣiṣẹ́ fi ní ààlà” nìkan ni, ṣùgbọ́n a tún mọ “ibi tí a ó ti mú kí àwọn ẹ̀rọ ooru sún mọ́ iṣẹ́ tí ó dára jùlọ tí ìṣẹ̀dá gbà láàyè.
