وترتبط كفاءة الدورات الحرارية ارتباطاً أساسياً بدرجات الحرارة، ففهم هذه العلاقة أمر حاسم بالنسبة للطلاب والمربين في ميدان الديناميكية الحرارية، وستستكشف هذه المادة مدى تأثير الحرارة على كفاءة مختلف الدورات الحرارية، بما في ذلك دورة كارنو، ودورة رانكين، ودورة برايتون.

مقدمة إلى الدورة الحرارية

إن الدورات الحرارية هي عمليات تحول الطاقة الحرارية إلى عمل، وقد تحددت كفاءة هذه الدورات بدرجات الحرارة التي تعمل فيها، وكلما زادت درجة الحرارة بين مصدر الحرارة والوعة الحرارية كلما زادت كفاءة الدورة.

"عُلّة كارنوت"

إن دورة كارنو نموذج نظري يوفر أقصى قدر ممكن من الكفاءة لمحرك حراري يعمل بين خزانين درجة الحرارة، ويتألف من أربع عمليات قابلة للعكس: حلقيان طبيعيان واثنين من الحفاضات.

كفاءة دورة كارنو

وتعطى الصيغة التالية كفاءة دورة كارنو (آذار) :

= 1 - (T]cold / T]hot)]

أين:

  • T]cold = درجة الحرارة المطلقة للمستودع البارد
  • T]hot] = درجة الحرارة المطلقة للمستودع الساخن

وتبين هذه المعادلة أن زيادة درجة حرارة الخزان الساخن أو تخفيض درجة حرارة الخزان البارد سيزيد من كفاءة الدورة.

"السيركن"

إن دورة الراكين هي دورة حرارية عملية تستخدم في محطات توليد الطاقة، وهي تتألف من أربع عمليات: الضغط الأيزوبري، والإضافات الحرارية الإيسبرية، والتوسع في الزبيب، والرفض الحراري الجازمي.

كفاءة دورة رانكين

ويمكن أن تتأثر كفاءة دورة الراكين بدرجات حرارة البخار ومياه التبريد، والصيغة التي تستخدمها الكفاءة الحرارية هي:

= (h]1] - h4) / (h1[ - h2)

أين:

  • h1[ = نسخة في مخرج المغلي
  • h]2 = نسخة في مخرج توربيني
  • h4 = نسخة عند خروج المركب

ويؤدي ارتفاع درجات الحرارة في المغلي إلى زيادة الكفاءة، ولكنهما يتطلبان أيضا مواد يمكن أن تصمد في هذه الظروف.

"عُلم "برايتون

وتُستخدم دورة برايتون، المعروفة أيضاً بدورة توربين الغاز، في محركات الطائرات والتربينات الغازية، وهي تعمل على حلقة مغلقة وتتألف من عمليتين أطباء وعمليتين جباريتين.

كفاءة دورة برايتون

وتتأثر كفاءة دورة برايتون بنسبة الضغط وبدرجات حرارة الغازات المنبعثة والغازات العادمة:

= 1 - (T]1]] / T2)]]

أين:

  • T]1[ = درجة حرارة مقلدة
  • T]2 = أقصى درجات الحرارة في الدورة

ويؤدي ارتفاع درجات الحرارة القصوى إلى زيادة الكفاءة، ولكن هذا الأمر يفرض مرة أخرى على الممتلكات المادية والتصميم.

العوامل المؤثرة في الكفاءة

وهناك عوامل عديدة تؤثر على كفاءة الدورات الحرارية، منها:

  • الاختلافات في درجات الحرارة بين الخزانات
  • نسب الضغط في الدورات
  • الخواص المادية للعناصر
  • خسائر في الحرارة بسبب الاحتكاك وغير ذلك من أوجه القصور

وفهم هذه العوامل ضروري لتحقيق الأداء الأمثل للدورة الحرارية.

خاتمة

والعلاقة بين درجة الحرارة والكفاءة في الدورات الحرارية مفهوم أساسي في الديناميكا الحرارية، ومن خلال دراسة دورات مثل كارنو ورانكين وبرايتون، يمكن للطلبة والمربين إدراك أهمية درجة الحرارة في عمليات تحويل الطاقة، وهذه المعرفة حاسمة بالنسبة للتقدم في كفاءة الطاقة وتكنولوجياها.