دسته‌ها
ترمودینامیک ترمودینامیک فیزیک دهم فیزیک سوم دبیرستان

ماشین های گرمایی

امروزه بیشتر انرژی مورد نیاز انسان از طریق ماشین های گرمایی به دست می آید.  ماشین ها با استفاده از برخی فرایند های ترمودینامیکی، گرمای حاصل از سوخت را به کار تبدیل می کنند. از این ماشین ها در مواردی از قبیل لوکوموتیو، کشتی بخار، زیردریایی، خودرو، هواپیما و فضاپیما استفاده می شود.

ماشین های گرمایی

در ویدیو زیر با انواع ماشین های گرمایی یعنی برون سوز و درون سوز و نحوه عملکرد آن ها آشنا خواهید شد.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

بازده ماشین های گرمایی

هدف از ساخت هر ماشین آن است که انرژی گرفته شده را تا بیشترین مقدار ممکن به انرژی مفید خروجی تبدیل کند. بنابراین بازده هر ماشین به صورت زیر تعریف می شود.

ph10 s5 mashingarma 01 ماشین های گرمایی

در ماشین های  گرمایی، انرژی مفید خروجی همان  |W| و انرژی داده شده به ماشین، همان گرمای  QH است. بنا براین برای بازده هر ماشین گرمایی خواهیم داشت.

ph10 s5 mashingarma 02 ماشین های گرمایی

در صورتی که همه فرایند ها در  چرخه های ماشین های گرمایی آرمانی فرض شوند و به صورات ایستاوار طی شوند، در طی این چرخه ها مقداری گرما از یک منبع دمابالا با دمای (TH) گرفته شده (QH)، مقداری کار انجام می شود (|W|) و مقداری گرما به یک منبع دماپایین با دمای (TL)داده می شود (QL). طرز کار همه ماشین های گرمایی مانند طرح واره نشان داده شده در شکل زیر است.

ph10 s5 mashingarma 03 ماشین های گرمایی

با استفاده از قانون اول ترمودینامیک برای  چرخه های ماشین گرمایی می توان رابطه زیر را نوشت.

ph10 s5 mashingarma 04 ماشین های گرمایی

از آن جایی که علامت گرمای ورودی مثبت و علامت گرمای خروجی و کار منفی است، به این نتیجه مهم می رسیم.

ph10 s5 mashingarma 05 ماشین های گرمایی

پس برای ماشین های گرمایی آرمانی رابطه بازده به صورت زیر در می آید.

ph10 s5 mashingarma 06 ماشین های گرمایی

بازده  ماشین های گرمایی واقعی از بازده ماشین های آرمانی کمتر است. بازده واقعی ماشین های درون سوز بنزینی در حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد، بازده ماشین های درون سوز دیزلی در حدود ۳۰ تا ۳۵ درصد، و بازده ماشین های برون سوز بخار ۳۰ تا ۴۰ درصد است.

مثال ۱: یک ماشین گرمایی در هر چرخه ۵۰۰ ژول گرما از منبع گرم دریافت کرده و ۱۰۰ ژول کار انجام می دهد.

الف) بازده ماشین گرمایی چقدر است؟ ب) چه مقدار گرما در هر چرخه تلف می شود؟

پاسخ: طبق محاسبه زیر بازده این ماشین گرمایی ۲۰ درصد است.

ph10 s5 mashingarma 07 ماشین های گرمایی

قانون دوم ترمودینامیک به بیان ماشین گرمایی

پس از توجه به مطالب بالا، این پرسش ایجاد می شود که آیا امکان تبدیل همه گرمای دریافتی به کار وجود دارد؟ در واقع هیچ یک از ماشین های گرمایی که تا کنون ساخته شده اند، نمی توانند همه گرمای دریافتی را به کار تبدیل کنند.

ممکن نیست دستگاه چرخه ای را بپیماید که در طی آن مقداری گرما را از منبع دما بالا جذب و تمام آن را به کار تبدیل کند.

این عبارت قانون دوم ترمودینامیک به بیان ماشین گرمایی است. یعنی ممکن نیست بازده یک ماشین گرمایی برابر ۱ ( ۱۰۰ درصد) شود. دقت داشته باشید که بدست آوردن بازده ۱۰۰ درصد به دلیل ناتوانی بشر نیست. بلکه چنین چیزی امکان ندارد.

ph10 s5 mashingarma 08 ماشین های گرمایی

قضیه کارنو

سدی کارنو مهندس جوان فرانسوی در سال ۱۸۲۴ میلادی یک ماشین فرضی و آرمانی را طراحی کرد که بازده آن بیشینه و سازگار با قانون دوم ترمودینامیک است. او دریافت که بازده چنین ماشینی مستقل از ماده کاری است که چرخه ماشین را طی می کند. این ماشین فرضی را ماشین کارنو می نامند.

بنابه قضیه کارنو، بازده یک ماشین گرمایی که بین دو منبع با دما های (TL) و (TH) کار می کند هرگز نمی تواند بیشتر از ماشین کارنویی باشد که بین همین دو منبع کار می کند.

چرخه ماشین کارنو به صورت شکل زیر است. که از دو فرایند بی دررو و دو فرایند هم دما تشکیل شده است.

ph10 s5 mashingarma 09 ماشین های گرمایی

بازده ماشین کارنو از رابطه زیر بدست می آید.

ph10 s5 mashingarma 10 ماشین های گرمایی

مثال ۲: توربین بخار یک نیروگاه برق بین دماهای ۸۰۰ کلوین و ۳۰۰ کلوین کار می کند. بازده ماشین کارنویی که بین این دو دما کار می کند چقدر است؟

پاسخ:

ph10 s5 mashingarma 11 ماشین های گرمایی

مثال ۳: یک ماشین گرمایی کارنو بین دو منبع با دماهای ۳۰۰ کلوین و ۵۰۰ کلوین  کار می کند. و در هر چرخه ۸۰۰۰ ژول گرما از منبع دمابالا دریافت می کند.

الف)‌بازده این ماشین چند درصد است؟

ب) در هر چرخه دستگاه چند ژول کار انجام می دهد و چه مقدار گرما به منبع دماپایین انتقال می یابد؟

پاسخ:

ph10 s5 mashingarma 12 ماشین های گرمایی

ویدیو آموزشی بازده ماشین های گرمایی

در این ویدیو آموزشی با روابط بازده ماشین های گرمایی و بازده کارنو به همراه حل مثال توسط استاد مصطفی کبیری آشنا خواهید شد.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات


 تمرین ها

تمرین ۱: نمودار (P-V) مقابل مربوط به یک گاز تک اتمی است.بازده یک ماشین گرمایی کارنو که بین بالاترین و پایین ترین دمای این چرخه عمل می کند، چقدر است؟

ph10 s5 mashingarma 13 ماشین های گرمایی

تمرین ۲: یک مول از یک گاز تک اتمی در یک ماشین گرمایی، چرخه ای را مطابق شکل زیر می پیماید. بازده یک ماشین گرمایی کارنو که بین بالاترین و پایین ترین دمای این چرخه عمل می کند را محاسبه کنید.

ph10 s5 mashingarma 14 ماشین های گرمایی

تمرین ۳: کدام داده ها، ممکن است مربوط به ماشین گرمایی باشد که بین دماهای ۳۰۰ و ۴۰۰ کلوین کار می کند؟

ph10 s5 mashingarma 15 1024x91 ماشین های گرمایی

دانلود نسخه PDF جزوه بالا و پاسخ تمرین ها




از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران (نا تمام) هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.