چرخه های ترمودینامیک مفاهیم اساسی در زمینه ترمودینامیک هستند که مطالعه گرما، انرژی و کار است. درک این چرخه ها برای دانش آموزان و مربیان به طور یکسان بسیار مهم است، زیرا آنها پایه ای برای بسیاری از برنامه های مهندسی، از جمله تولید برق و یخچال را تشکیل می دهند. این مقاله چندین چرخه کلیدی ترمودینامیک را بررسی می کند، با تمرکز بر چرخه های کارnot و رنک، و اهمیت آنها در قلمرو ترمودینامیک.

یک چرخه ترمودینامیکی چیست؟

چرخه ترمودینامیک مجموعه ای از فرآیندهای است که شامل انتقال گرما و کار بین یک سیستم و محیط اطراف آن است.این فرآیندها سیستم را به حالت اولیه خود بازگردانید و اجازه می دهد تا چرخه را به طور نامحدود تکرار کند. بهره وری و عملکرد سیستم های مختلف ترمودینامیک می تواند از طریق این چرخه ها تجزیه و تحلیل شود که در یک فشار (P-V) یا نمودار دما (T) نشان داده می شود.

چرخه کارnot

چرخه کارnot یک مدل نظری است که حداکثر بهره وری احتمالی یک موتور حرارتی را تعریف می کند که پس از فیزیکدان فرانسوی Sadi Carnot نام دارد، این چرخه به عنوان یک معیار برای موتورهای دنیای واقعی عمل می کند. چرخه کارnot شامل چهار فرآیند برگشت پذیر است:

  • گسترش Iso Heat Expansion
  • توسعه Adiabatic Expansion
  • Iso Heat Compression
  • Adiabatic Compression

1- گسترش Iso Heat

در طول فرآیند گسترش ایزوترمال، ماده کارگر گرما را از یک مخزن با دمای بالا جذب می کند در حالی که حفظ دمای ثابت است، این جذب گرما به ماده اجازه می دهد تا گسترش یابد و بر محیط اطراف کار کند.

2- گسترش هندباتیک

در فاز توسعه اقیانوس آرام، سیستم بدون مبادله گرما با محیط اطراف خود گسترش می یابد، زیرا گاز گسترش می یابد، در محیط کار می کند و باعث کاهش دمای آن می شود.

3- فشرده سازی Iso Heat Compression

در طول فشرده سازی ایزوترمال، ماده کارگر گرما را به یک مخزن کم دما آزاد می کند در حالی که در دمای ثابت باقی مانده است، این فرآیند گاز را فشرده می کند و نیاز به کار برای انجام آن دارد.

Adiabatic Compression

مرحله نهایی چرخه کارnot فشرده سازی است، که در آن گاز بدون تبادل گرما فشرده می شود.کار انجام شده در گاز انرژی داخلی و دما را افزایش می دهد و آن را به حالت اولیه باز می گرداند.

کارایی چرخه کارnot

بهره وری چرخه کارnot توسط دمای مخازن حرارتی تعیین می شود:

  • (۱) بهره وری (۱) = ۱ (۱۰)

در جایی که T سرد دمای مطلق مخزن سرد و T داغ درجه حرارت مطلق مخزن گرم است، این معادله نشان می دهد که بهره وری افزایش می یابد به عنوان تفاوت دما بین مخازن افزایش می یابد.

چرخه ی رنین

چرخه رنین یک چرخه ترمودینامیکی عملی است که در نیروگاه های بخار استفاده می شود، به طور مشابه با چرخه کارnot عمل می کند، اما شامل تغییرات مرحله ای از مایع کاری است که معمولاً آب است.

  • پمپ های Isentropic
  • گرمای وحشیانه
  • توسعه Isentropic Expansion
  • خنک کننده های Isober

پمپ های Isentropic

در فرایند پمپاژ ایزوتروفیلیک، آب مایع از تغلیظ به دیگ بخار پمپ می شود. فشار افزایش می یابد در حالی که دمای ثابت باقی می ماند و کار بر روی آب توسط پمپ انجام می شود.

۲- گرمایشی وحشیانه

در طول گرمای وحشیانه، آب در فشار مداوم در دیگ بخار گرم می شود و آن را به بخار تبدیل می کند.این فرایند شامل جذب گرما از یک منبع خارجی است.

توسعه Isentropic

بخار سپس تحت گسترش نوتروفیلیک در توربین است، جایی که آن را گسترش می دهد و بر روی تیغه های توربین کار می کند، تولید برق و فشار کاهش بخار در طول این فرآیند.

۴- خنک کننده های ضدبار

در نهایت، در فرایند خنک کننده ای وحشیانه، بخار به آب مایع در فشار مداوم در تغلیظ، آزاد کردن گرما به محیط اطراف، فشرده می شود.

بهره وری از چرخه رنین

بهره وری چرخه رنین را می توان با افزایش دما و فشار بخار بهبود بخشید. فرمول بهره وری حرارتی چرخه رنین این است:

  • (وَهُوَهُوَهُوا بِنَّهِهُمْهِهُمْهُوَهُوا بِهَهُوَهُمْهِهُمْهِهُمِهُوا بِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِهِ إِ إِهِ إِهِهِنْهِنِنِنِهِنِنِنْهِنْهِهُوَهِنِنِنِنِنِنْهِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِنِن

در جایی که خروجی خالص کار و Q حرارت اضافه شده به سیستم است، بهره وری تحت تاثیر دمای بخار و حرارت رد شده در طول فرایند تراکم.

مقایسه چرخه های کارnot و رنین

در حالی که هر دو چرخه کارnot و رنین در ترمودینامیک مهم هستند، تفاوت های متمایزی دارند:

  • چرخه کارnot یک چرخه ایده آل با حداکثر بهره وری است، در حالی که چرخه رنین یک چرخه عملی است که در برنامه های دنیای واقعی استفاده می شود.
  • چرخه کارnot بین دو مخزن دما عمل می کند، در حالی که چرخه رنین شامل یک تغییر مرحله ای از مایع کاری است.
  • چرخه کارnot شامل فرآیندهای برگشت پذیر است، در حالی که چرخه رنین شامل فرآیندهای برگشت ناپذیر است.

نتیجه گیری

درک چرخه های ترمودینامیک، به ویژه چرخه های کارnot و رنک، برای دانش آموزان و مربیان در زمینه ترمودینامیک ضروری است، این چرخه ها بینشی در مورد اصول تبدیل انرژی و بهره وری، که برای برنامه های مهندسی مختلف بسیار مهم است، با درک این مفاهیم، زبان آموزان می توانند بهتر از کار پیچیده از موتورهای گرما و تاثیر آنها بر فن آوری مدرن قدردانی کنند.