تعداد صفحات: ۱۷ | قابل ویرایش
فهرست مطالب
- بیان کلوین – پلانک و بیان کلازیوس
- فرآیند بازگشت پذیر
- انتقال حرارت به دلیل اختلاف درجه حرارت محدود
- سیکل کارنو
- دو قضیه در مورد کارآیی سیکل کارنو
- ماشین استرلینگ
- ماشین های درون سوز
فرآیند بازگشت پذیر
فرآیند بازگشت پذیر برای سیستم به صورت فرآیندی که قابل بازگشت است و به گونه ای انجام می گیرد که هیچگونه تغییری در سیستم یا محیط بر جای نمی گذارد ، تعریف می شود .
حال اهمیت این تعریف را در مورد گاز محبوس در یک سیلندر که با یک پیستون آب بندی شده است ، نشان می دهیم . ابتدا شکل را در نظر بگیرید که در آن ، یک گاز (به عنوان سیستم در نظر می گیریم) در فشار زیاد به وسیله یک پیستون که با میخ محدود شده محبوس است .
وقتی میخ برداشته شود ، پیستون صعود می کند و نیروی ضربه ای به موانع وارد می آورد . چون پیستون مقداری صعود کرده ، مقداری کار به وسیله سیستم انجام شده است . فرض کنید بخواهیم سیستم را به حالت ابتدایی برگردانیم .
یک روش این است که نیرویی بر پیستون وارد آید که موجب تراکم گاز گردد تا اینکه میخ بتواند مجدداً در پیستون جای گیرد . چون فشار وارد شده بر سطح پیستون در مسیر بازگشت بیشتر از مسیر ابتدایی است ، کار انجام شده بر گاز در فرآیند بازگشت نیز بیشتر از کار انجام شده به وسیله گاز در فرآیند ابتدایی خواهد بود . برای اینکه سیستم همان مقدار انرژی داخلی اولیه را داشته باشد باید مقداری حرارت در طی مسیر بازگشت از گاز انتقال یابد.
انتقال حرارت به دلیل اختلاف درجه حرارت محدود
یک سیستم متشکل از جسم با درجه حرارت بالا و جسم درجه حرارت پایین را در نظر بگیرید و فرض کنید که حرارت از جسم درجه بالا به جسم درجه حرارت پایین انتقال می یابد .
تنها روش برای بازگرداندن سیستم به حالت اولیه ، به کار بردن تبرید است که آن نیز به دریافت مقدار لازم کار از محیط و مقدار لازم انتقال حرارت به محیط بستگی دارد . به دلیل انتقال حرارت و کار ، محیط به حالت اولیه باز نخواهد گشت و این به معنای بازگشت ناپذیر بودن فرآیند است .
اکنون سئوال جالبی مطرح می شود . حرارت به عنوان انرژی که در اثر اختلاف درجه حرارت منتقل می شود ، تعریف شد . هم اکنون نشان دادیم که انتقال حرارت در اثر اختلاف درجه حرارت ، یک فرآیند بازگشت ناپذیر است . بنابراین چگونه می توان یک فرآیند انتقال حرارت بازگشت پذیر داشت ؟
فرآیند انتقال حرارت زمانی به فرآیند بازگشت پذیر نزدیک می شود که اختلاف درجه حرارت بین دو جسم ، به طرف صفر میل می کند . پس فرآیند انتقال حرارت بازگشت پذیر را فرآیندی تعریف می کنیم که در آن حرارت در اثر اختلاف درجه حرارت بسیار ناچیز بین اجسام منتقل می شود و در نتیجه وقوع آن احتیاج به زمان نامحدود و یا سطح نامحدود خواهد داشت .
بنابراین تمام فرآیندهای انتقال حرارت واقعی از اختلاف درجه حرارت محدود ناشی می شوند و فرآیندهای بازگشت ناپذیر هستند و بزرگتر بودن اختلاف درجه حرارت موجب بیشتر شدن بازگشت ناپذیری خواهد شد . همچنین درمی یابیم که مفهوم انتقال حرارت بازگشت پذیر در تشریح فرآیندهای ایده آل بسیار مفید است .
سیکل کارنو
اگر کارآیی همه موتورهای حرارتی کمتر از ۱۰۰ درصد باشد ، کار آترین سیکلی که می توان داشت ، چیست ؟ پاسخ این سئوال را در مورد یک موتور حرارتی که حرارت را از منبع حرارت بالا دریافت می کند و آن را به منبع درجه حرارت پایین می دهد ، عرضه می کنیم . پس بحث ما درباره منبعهای درجه حرارت بالا و درجه حرارت پایین است که قطع نظر از مقدار انتقال حرارت ، درجه حرارت هر دو مقداری ثابت است .
فرض کنید که این موتور حرارتی که بین منبعهای مشخص درجه حرارت بالا و درجه حرارت پایین عمل می کند ، در حال کار در سیکلی است که در آن همه فرآیندها بازگشت پذیرند . اگر همه فرآیندها بازگشت پذیر باشند ، سیکل نیز بازگشت پذیر است و چنانچه سیکل گردد ، موتور حرارتی تبدیل به یخچال خواهد شد .
در بخش بعد نشان خواهیم داد که این کار آترین سیکلی است که می تواند بین دو منبع درجه حرارت ثابت عمل کند . این سیکل به نام مهندس فرانسوی نیکلاس لئونارد سادی کارنو ( ۱۸۳۲-۱۷۹۶) که وضع کننده قانون دوم ترمودینامیک در سال ۱۸۲۴ بود ، سیکل کارنو نامگذاری شد .
ماشین استرلینگ
در سال ۱۱۹۵/۱۸۱۶ ، قبل از اینکه حتی علم ترمودینامیک پیدا شده باشد ، کشیشی اسکاتلندی به نام رابرت استرلینگ یک ماشین هوای داغ ، که می توانست مقداری از انرژی آزاد شده توسط سوخت احتراقی را به کار تبدیل کند ، طراحی کرد و به ثبت رسانید .
ماشین استرلینگ تا سالهای زیادی مفید و مورد استفاده بود ، ولی بالاخره با توسعه ماشینهای بخار و ماشینهای درون سوز متروک شد . مهندسین کمپانی فیلیپس در هلند و کمپانی اتومبیل سازی فورد در حال اصلاح و تکمیل ماشین استرلینگ برای به کار گرفتن در اتومبیلها هستند . ماشین استرلینگ دارای خروجی اندک و بازده زیاد در مقابل بارهای گوناگون است ، ولی در عوض قیمت ساختن آن زیاد می شود .
منابع و مآخذ :
- مبانی ترمودینامیک کلاسیک ، زونتاگ ، بورگناک ، ون وایلن ، ترجمه مهندس ملک زاده ، مهندس کاشانی حصار ، مهندس معتمدی
- حرارت و ترمودینامیک ، مارک والدو زیمانسی ، ریچارد دیتمن ، ترجمه حسین توتونچی ، حسن شریفیان عطار ، محمد هادی هادیزاده
