Table of Contents
مطالعه موتورهای حرارتی یک نگاه اجمالی جذاب به اصول ترمودینامیک، به ویژه قانون دوم، نشان می دهد که سیستم های انرژی تمایل به حرکت به سمت یک حالت افزایش آنتروپی دارند که دارای پیامدهای عمیقی برای بهره وری و عملکرد موتورهای حرارتی است.
درک موتورهای گرمایی
موتورهای گرمایی دستگاه هایی هستند که انرژی حرارتی را به کار مکانیکی تبدیل می کنند، آنها بر اساس اصول ترمودینامیک کار می کنند، با استفاده از یک مایع کاری که گرما را از یک منبع دمای بالا جذب می کند، کار را انجام می دهد و سپس گرما را به یک سینک کم دمای آزاد می کند، این فرآیند برای کاربردهای مختلف، از نیروگاه ها گرفته تا اتومبیل ها، اساسی است.
انواع موتورهای گرمایی
- موتورهای احتراق داخلی
- موتورهای احتراق خارجی
- موتورهای Steam
- توربین های گازی
هر نوع موتور گرمایی تحت چرخه ها و اصول خاصی عمل می کند، اما همه آنها هدف مشترکی برای تبدیل انرژی گرمایی به کار دارند. درک این موتورها نیازمند درک چرخه های ترمودینامیکی است که از آن استفاده می کنند.
قانون دوم ترمودینامیک
قانون دوم ترمودینامیک یک اصل اساسی است که رفتار انرژی را در هر سیستم کنترل می کند.این قانون می گوید که در هر انتقال انرژی، همیشه از دست دادن انرژی قابل استفاده وجود خواهد داشت که منجر به افزایش آنتروپی در زمینه موتورهای گرمایی می شود، این قانون می گوید که هیچ موتور نمی تواند 100٪ کارآمد باشد.
مفاهیم برای موتورهای حرارتی
پیامدهای قانون دوم برای موتورهای حرارتی قابل توجه است:
- حداکثر بهره وری توسط بهره وری کارnot محدود است که توسط دمای منبع گرما و سینک تعیین می شود.
- موتورهای گرمایی باید برخی از گرما را به محیط زیست رد کنند که نتیجه مستقیم افزایش آنتروپی است.
- عملکرد موتورهای گرمایی می تواند بهبود یابد، اما هرگز به نقطه دستیابی به تبدیل کامل گرما به کار نیست.
چرخه کارnot: مدل نظری
چرخه کارnot یک مدل نظری است که حداکثر بهره وری احتمالی یک موتور گرمایی را که بین دو مخزن دما کار می کند، نشان می دهد که شامل چهار فرآیند برگشت پذیر است: دو ایزوترمال و دو فرآیند هیدروباتیک.
پردازش های چرخه کارnot
- گسترش Iso Heat: مایع کاری گرما را از مخزن گرم، گسترش و انجام کار جذب می کند.
- گسترش آبزیباتیک: مایع همچنان بدون تبادل گرما گسترش می یابد و دمای آن را کاهش می دهد.
- فشرده سازی Iso Heat: مایع گرما را به مخزن سرد در حالی که فشرده می شود آزاد می کند.
- فشرده سازی Adiabatic: مایع بدون تبادل گرما فشرده می شود و دمای آن را به حالت اصلی افزایش می دهد.
بهره وری چرخه کارnot را می توان با فرمول بیان کرد:
[[ویرایش] [۱] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۳] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۳] [۱۰] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [[[[[[[[[۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۱۰] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [
برنامه های کاربردی جهانی واقعی موتورهای گرمایی
در عمل، انواع مختلف موتورهای گرمایی در بخش های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، هر کدام با چالش های منحصر به فرد در بهره وری و عملکرد مواجه می شوند. درک اینکه چگونه قانون دوم به مهندسان کمک می کند تا سیستم های بهتری را طراحی کنند.
ماشین
موتورهای احتراق داخلی در اتومبیل ها سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند، اما معمولاً در حدود ۲۰ تا ۲۰ درصد از آنها به دلیل کاهش انرژی از طریق گرما و اصطکاک کامل عمل می کنند.
نیروگاه های برق
نیروگاه های حرارتی از توربین های بخار برای تبدیل انرژی گرمایی از سوختن سوخت های فسیلی به برق استفاده می کنند. بهره وری این گیاهان اغلب با محدودیت های دمای مواد محدود می شود و نیاز به رد گرمای زباله دارد.
سیستم های انرژی تجدید پذیر
فن آوری های نوآورانه مانند سیستم های انرژی حرارتی خورشیدی از موتورهای حرارتی برای تبدیل نور خورشید به برق استفاده می کنند، در حالی که آنها ارائه می دهند ناکارآمدی امیدوار کننده، آنها هنوز با چالش های مربوط به قانون دوم مواجه هستند.
نتیجه گیری
تجزیه و تحلیل موتورهای حرارتی از طریق لنز قانون دوم ترمودینامیک نشان دهنده محدودیت های ذاتی و چالش های تبدیل انرژی است، در حالی که پیشرفت ها همچنان به بهبود کارایی ادامه می دهند، قوانین ترمودینامیک همچنان یک اصل هدایت کننده در طراحی و عملکرد موتورهای حرارتی باقی می ماند.