Cycles of Thermodynamic Cycles Explained: من كارنو إلى رانكين

إن دورات الدينامية الحرارية هي مفاهيم أساسية في مجال الديناميات الحرارية، وهي دراسة الحرارة والطاقة والعمل، وفهم هذه الدورات أمر حاسم بالنسبة للطلاب والمربين على السواء، حيث أنها تشكل الأساس للعديد من التطبيقات الهندسية، بما في ذلك توليد الطاقة وتبريدها، وستستكشف هذه المادة عدة دورات رئيسية في الدينامية الحرارية، تركز على دورتي كارنو ورانكامدي في الواقع.

ما هو "السيرموديناميك" ؟

إن دورة الدينامية الحرارية هي سلسلة من العمليات التي تنطوي على نقل الحرارة والعمل بين النظام وضواحيه، وتعيد هذه العمليات النظام إلى حالته الأولية، مما يتيح لها تكرار الدورة إلى أجل غير مسمى، ويمكن تحليل كفاءة وأداء مختلف النظم الدينامية الحرارية من خلال هذه الدورات، التي تمثل على مستوى ضغط أو رسم مقياس حرارة (T-S).

"عُلّة كارنوت"

إن دورة كارنو هي نموذج نظري يحدد أقصى قدر ممكن من الكفاءة لمحرك حراري، وتسمي بعد الفيزيائي الفرنسي سعدي كارنو، فإن هذه الدورة تشكل معيارا لمحركات العالم الحقيقي، وتتكون دورة كارنو من أربع عمليات قابلة للعكس:

1 - التوسع الحراري

وأثناء عملية التوسع الحراري، تستهلك المادة العاملة الحرارة من خزان حراري مرتفع الحرارة مع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة، ويتيح هذا الاستيعاب الحراري للمادة التوسع، والعمل على المحيط.

2 - التوسع في الحياة

وفي مرحلة التوسع في العملات الحفاضية، يتسع النظام دون تبادل الحرارة مع محيطاته، ومع توسع الغاز، فإنه يعمل على البيئة، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارته.

3 - الضغط الحراري

وأثناء الضغط الحراري الزائيري، تُطلق مادة العمل الحرارة إلى خزان منخفض الحرارة بينما تبقى في درجة حرارة ثابتة، وهذه العملية تضغط الغاز، وتستلزم القيام بعمل بشأنها.

4 - الضغط على الأطفال

المرحلة النهائية من دورة كارنو هي الضغط الوديوي، حيث يتم الضغط على الغاز بدون تبادل حراري، والعمل المنجز على الغاز يزيد من طاقته الداخلية ودرجاته الحرارة، ويعيده إلى الولاية الأولية.

كفاءة دورة كارنوت

وتتحدد كفاءة دورة كارنو بدرجات حرارة خزانات الحرارة:

Where Tcold is the absolute temperature of the cold reservoir and Thot]]] is the absolute temperature of the hot reservoir. This equation indicates that the efficiency increases as the temperature difference between the reservoirs increases.

"السيركن"

إن دورة الراكين هي دورة دينامية حرارية عملية تستخدم في محطات توليد الطاقة الكهربائية في البخار، وهي تعمل على غرار دورة كارنوت ولكنها تنطوي على تغييرات تدريجية في سوائل العمل، وهي عادة المياه، وتتألف دورة الرانكين من أربع عمليات:

١ - الضخ غير السليم

وفي عملية الضخ غير السليم، تضخ المياه السائلة من المضخ إلى المغلي، ويزداد الضغط بينما تظل درجة الحرارة ثابتة، وينجز العمل على المياه بواسطة المضخة.

٢ - التدفئة العزلية

وأثناء التدفئة العزلي، تسخن المياه بسبب الضغط المستمر في الغلاية، مما يحولها إلى بخار، وتشمل هذه العملية استيعاب الحرارة من مصدر خارجي.

3- التوسع في الصور

ثم يخضع البخار للتوسع في التربين حيث يتوسع ويعمل على نصل التربين، ويولد الكهرباء، ودرجة الحرارة والضغط في البخار تتناقص خلال هذه العملية.

4 - التبريد السحاري

وأخيرا، في عملية التبريد الجليدي، يُعاد البخار إلى المياه السائلة بضغط مستمر في المخزن، مما يُطلق الحرارة على المحيط.

كفاءة دورة رانكين

ويمكن تحسين كفاءة دورة الراكين بزيادة درجة الحرارة والضغط على البخار، والصيغة التي تستخدمها دورة الراكين الحرارية هي:

Where W]net] is the net work output and Q]in] is the heat added to the system. The efficiency is influenced by the temperature of the steam and the heat rejected during the condensation process.

مقارنة دورة كارنو وراكين

وفي حين أن دورتي كارنو ورانكين مهمتان في الديناميكا الحرارية، فإن لهما اختلافات متميزة:

خاتمة

إن فهم دورات الدينامية الحرارية، ولا سيما دورة كارنو ودورات الرنكين، أمر أساسي للطلاب والمربين في ميدان الديناميات الحرارية، وهذه الدورات توفر نظرة متعمقة على مبادئ تحويل الطاقة وكفاءتها، التي تعد حاسمة بالنسبة لمختلف التطبيقات الهندسية، ومن خلال فهم هذه المفاهيم، يمكن للمتعلمين أن يقدروا على نحو أفضل الأعمال المعقدة للمحركات الحرارية وتأثيرها على التكنولوجيا الحديثة.