ترمودینامیک 4

 موضوع قانون دوم ترمودینامیك:

 

محدودیت در فرآیند های خود به خودی  در طبیعت ، موضوع قانون دوم ترمودینامیك است .

    ☼ مثال :

گر چه شارش خود به خود گرما از جسم سرد به جسم گرم ، با قانون اول ترمودینامیك ( قانون  پایستگی  انرژی  )ناسازگار نیست  ، ولی در طبیعت  رخ نمی دهد

    ☼ مثال:

در حالی كه می توان مقدار معینی كار را تماما به انرژی گرمایی تبدیل كرد ، هرگز نمی توان ماشینی ساخت كه مقدار معینی گرما  را تماما به كار تبدل كند.

 

ماشین گرمایی :

 

 برای حركت دادن یك وسیله  ی نقلیه ، یا به كار انداختن  بسیاری از  دستگاه ها  انرژی مكانیكی لازم است . برای این كار باید ابزاری ساخت  تا گرما را به انرژی مكانیكی تبدیل كند  . این ابزار  ماشین گرمایی نام دارد.

 

ماشین گرمایی برون سوز  :

 

 ماشین بخار  یك ماشین گرمایی برون سوز   است ، زیرا گرما  توسط كوره  ( چشمه  گرم )  یعنی  از بیرون دستگاه به آب داده می شود.

 

ماشین بخار ، ( فرآیند  ها  ) : 

 

 فرآیند هایی كه آب در ماشین بخار طی می كند ، به چهار مرحله  ی اصلی  تقسیم می كنیم  :

    الف ) مرحله ی اول  :

  در این مرحله آب درون دیگ بخار در فشار ثابت از كوره گرما می گیرد و به بخار تبدیل  می شود .

    ب ) مرحله ی دوم  :

 شیر ورودی باز می شود . بخار آب كه دما وفشار آن بسیار زیاد است  وارد اتاقك انبساط می شود ودما وفشار آن كاهش می یابد  . چون این انبساط بسیار سریع است این فرآیند را بی دررو می توان در نظر گرفت  . در این مرحله ماشین گرمایی (بخار آب )  بر روی محیط كار انجام می دهد

    ج ) مرحله ی سوم  :

طراحی ماشین به گونه ای ست كه وقتی پیستون به انتهای مسیر خود رسید       باز گردانده می شود . یعنی بخار آب به سمت چگالنده هدایت می شود . در چگالنده بخار آب در فشار ثابت گرما از دست می دهد و به مایع تبدیل می شود .در این فرآیند دما و حجم بخار آب كاهش می یابد .

      د ) مرحله ی چهارم :

 تلمبه  (پمپ )آب حاصل از میعان در چگالنده را به دیگ بخار برمی گرداند و فشار  و دمای آن را به فشار و دمای اولیه ی رسد ویك چرخه ترمودینامیكی كامل می شود .

 

&نكته  :

 

در حین كار با ماشین­بخار این چرخه دائما تكرار می­شود. دستگاه در این چرخه به طور عمده با دو منبع گرما
( كوره و چگالنده ) تبادل گرما می كند . كوره را كه در دمای بالا تری قرار دارد منبع گرم و چگالنده را منبع سرد می نامیم.

 

 

چرخه ی ماشین بخار :

 

      از  A تا B  - تبدیل آب به بخار آب داغ در فشار ثابت

   از B  تا C   -  انبساط بی دررو بخار آب  ( در این مرحله انرژ ی مكانیكی مورد نیاز از ماشین بخار به دست می آید  )

      از Cتا  D   -   میعان بخار آب در فشار ثابت

      از D تا A    -   افزایش فشار آب تا فشار اولیه  در حجم تقریبا ثابت   

" تمرین  :

 نوع فرآیند ها  و چگونگی تبادل كار و گرما  را در چرخه ماشین بخار  مشخص كنید.

 

ماشین گرمایی درون سوز :

 

 ماشین های درون سوز نوعی دیگر از ماشین های گرمایی هستند  كه با  سوخت هایی چون بنزین و یا گازوییل كار  می كتند . چون این ماشین ها از بیرون گرما نمی گیرند  و گرما در اثر آتش گرفتن  مخلوط هوا  وبنزین در داخل  آن ها ایجاد می شود ، آن ها را درون سوز می گویند موتور همه ی  اتومبیل ها هواپیماهای ملخ دار  ،بعضی كشتی ها  و قطار ها و نیروگاه های كوچك درون سوز هستند.

 

مراحل مختلف كار  ماشین  های گرمایی درون سوز  :

 

      الف ) مرحله مكش  :

 با پایین آمدن پیستون  ( از یك وضعیت اولیه  ) مخلوط  بنزین وهوا از طریق دریچه ورودی وارد استوانه  می شوند . وقتی پیستون به پایین ترین وضعیت خود رسید  ،  این دریچه بسته می شود  ومخلوط  بنزین  و هوا ذر داخل استوانه محبوس می شوند .

    ب )  مرحله ی تراكم  :

 پیستون بالا می آید  ومخلوط را متراكم می كند  وبه حجم اولیه می رساند در این وضعیت دمای مخلوط بسیار بالا می رود

    پ ) مرحله ی آتش گرفتن  :

هنگامی كه پیستون  به بالا ترین وضعیت خود رسید  ، شمع جرقه می زند  مخلوط آتش می گیرد   ودما وفشار آن تا مقدار زیادی  بالا می رود .چون آتش گرفتن  مخلوط درون  استو انه رخ می دهد و مخلوط از بیرون گرما نمی گیرد  ، این موتورها را درون سوز می گویند .

    ت) مرحله ی انجام كار :

در این مرحله در اثر فشار زیا د دستگاه منبسط می شود و پیستون را به طرف پایین می راند .كاری كه دستگاه بر روی محیط انجام می دهد در این مرحله حاصل می شود .

      ث ) مرحله ی تخلیه :

 در این مرحله بخشی از دود حاصل از سوختن مخلوط بنزین  و هوا از طریق دریچه خروج دود كه در این مرحله  باز می شود   خارج می شود  وسپس پیستون بالا آمده  و بقیه ی دود را خارج می كند  به این ترتیب مقدار  زیادی گرما به بیرون رانده می شود  . موتور دائما این چرخه را تكرار می كند.

  

قانون اول ترمودینامیك و بازده ماشین گرمایی  :

 

 در بررسی ماشین های گرمایی  دیدیم دستگاه مقداری گرما  از منبع گرم می گیرد ، بخشی از آن را به كار تبدیل می كند و بقیه ی آن را به صورت گرمای  به منبع سرد می دهد. بنا به قانون­اول ترمودینامیك  برای یك چرخه­ی ماشین گرمایی می توان نوشت  :

 

 

♂  یكای بازده :   با توجه به فرمول های زیر فرمول بازه چنین است:

 

 

( كه نسبت دو تا انرژی ست )  بازده یكا ندارد  .

" تمرین  :

بازده ماشین گرمایی چگونه  افزایش می یابد ؟

 

 

بازده بیشینه برای ماشین گرمایی :

 

بیش ترین بازده یك ماشین گرمایی را سعدی كارنو مشخص كرده است . این بازده از ماشینی به دست می آید كه با چرخه كارنو  (كه در زیر رسم شده است )  بین دو منبع  گرم و سرد به ترتیب با دما های  T_H و   T_Cكار می كند . بازده این ماشین از رابطه­ی زیر به دست می آید.

 

 

 

چرخه كارنو  :   یخچال :

 

وسیله ای است كه گر ما را از جسم سرد به جسم گرم منتقل می كند .  در یخچال هم دستگاه  ( گاز فرئون ) یك چرخه را طی می كند ودر حین آن چرخه ،محیط با انجام كار W بر روی دستگاه گرمای _C Q  را از منبع سرد  ( محتویات درون یخچال ) می گیرد و گرمای  _H Q رابه منبع گرم  ( هوای بیرون یخچال  ) می دهد  .

 

&نكته

 

 طرز كار یخچال  مانند یك ماشین گرمایی است كه در جهت عكس كار می كند

 

قانون اول ترمودینامیك  ( در یخچال  ) :

 

 

    توجه‼  :

 

ملاحظه می شود گرمایی كه یخچال به هوای  اطراف خود می دهد  | Q _H | بیشتر از گرمای Q_C   است كه از داخل یخچال می گیرد

 

    نتیجه  :

 

  اگر در یك اتاق در بسته ، یخچالی را روشن كرده درِ  یخچال را  باز بگذاریم اتاق گرم تر می شود زیرا

       | Q _H | > Q _C      است .

 

ضریب عملكرد یخچال  :

 

 از نظر اقتصادی بهترین یخچال ،  یخچالی است كه با انجام كار  كم تر  ( صرف انرژی الكتریكی كم تر – مصرف برق كم تر  - ) گرمای بیشتری را از درون یخچال   ( منبع  سرد ) به بیرون  یخچال  (منبع گرم  ) منتقل  كند  .

 

 

كولر گازی :

 

طرز كار كولر گازی مانند یخچال  است . در كولر گازی منبع سرد هوای اتاق  ومنبع گرم هوای بیرون است . كولر با انجام كار ، گرما را از داخل اتاق می گیرد و به هوای بیرون  می دهد .

 

قانون  دوم ترمودینامیك ( به بیان یخچالی  ) :

 

می دانیم كه گرما از جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود  .ولی عكس این عمل صورت نمی گیرد  . اگر یك لیوان آب خنك در اتاق قرار داشته باشد  ، گرما خود به خود از آب به اتاق منتقل  نمی شود  ولی وقتی كه آب را درون یخچال قرار می دهیم یخچال  باصرف انرژی  ، مقداری گرما را از آب می گیرد و به هوای اتاق منتقل می كند . بنابر این

 

&نكته  :   

  می توان نشان داد كه دو بیان ماشین گرمایی ویخچالی  قانون دوم ترمو دینامیك معا دل  یك دیگرند . اگر قانون دوم به بیان یخچالی نقض شود  (  یعنی گرما به طور خود به خود از جسم سرد به جسم گرم  منتقل  شود  ) قانون دوم به بیان ماشین گرمایی نیز نقض می شود (یعنی می توان ماشینی ساخت كه در یك چرخه تمام گرما را به كار تبدیل كند  )وبر عكس .