لبناء محرك حراري يمكنه القيام بالعمل باستخدام الحرارة ، تحتاج إلى تهيئة ظروف معينة. بادئ ذي بدء ، يجب أن يعمل المحرك الحراري في الوضع الدوري ، حيث تخلق سلسلة من العمليات الديناميكية الحرارية المتتالية دورة. نتيجة للدورة ، يعمل الغاز الموجود في أسطوانة بمكبس متحرك. لكن دورة واحدة لا تكفي لتشغيل آلة بشكل دوري ؛ يجب أن تؤدي دورات مرارًا وتكرارًا لفترة معينة. إجمالي العمل المنجز خلال وقت معين في الواقع ، مقسومًا على الوقت ، يعطي مفهومًا مهمًا آخر - القوة.
في منتصف القرن التاسع عشر ، تم إنشاء المحركات الحرارية الأولى. لقد نجحوا بالفعل ، لكنهم استهلكوا كمية كبيرة من الحرارة الناتجة عن احتراق الوقود. عندها طرح علماء الفيزياء النظرية على أنفسهم أسئلة: "كيف يعمل الغاز في المحرك الحراري؟ كيف تحصل على أقصى أداء مع أقل استهلاك للوقود؟"
لإجراء تحليل لأعمال الغاز ، كان من الضروري تقديم نظام كامل من التعريفات والمفاهيم. إن مجمل جميع التعاريف خلقت اتجاهًا علميًا كاملاً ، والذي تم تلقيهالعنوان: "الديناميكا الحرارية التقنية". في الديناميكا الحرارية ، تم وضع عدد من الافتراضات التي لا تنتقص بأي حال من الاستنتاجات الرئيسية. السائل العامل هو غاز سريع الزوال (غير موجود في الطبيعة) ، يمكن ضغطه إلى حجم صفر ، ولا تتفاعل جزيئاته مع بعضها البعض. في الطبيعة ، هناك غازات حقيقية فقط لها خصائص محددة جيدًا تختلف عن الغاز المثالي.
للنظر في نماذج ديناميكيات مائع العمل ، تم اقتراح قوانين الديناميكا الحرارية ، التي تصف العمليات الديناميكية الحرارية الرئيسية ، مثل:
- عملية isochoric هي عملية يتم تنفيذها دون تغيير حجم سائل العمل. حالة عملية Isochoric ، v=const ؛
- عملية متساوية الضغط هي عملية يتم إجراؤها دون تغيير الضغط في سائل العمل. حالة عملية متساوية الضغط ، P=const ؛
- العملية المتساوية (متساوي الحرارة) هي عملية يتم إجراؤها مع الحفاظ على درجة الحرارة عند مستوى معين. حالة العملية متساوي الحرارة ، T=const ؛
- العملية الحافظة للحرارة (ثابت الحرارة ، كما يسميها مهندسو الحرارة الحديثون) هي عملية يتم إجراؤها في الفضاء دون تبادل الحرارة مع البيئة. حالة عملية Adiabatic ، ف=0 ؛
- عملية متعددة الاتجاهات - هذه هي العملية الأكثر تعميمًا التي تصف جميع العمليات الديناميكية الحرارية المذكورة أعلاه ، بالإضافة إلى جميع العمليات الأخرى التي يمكن إجراؤها في أسطوانة بمكبس متحرك.
أثناء إنشاء المحركات الحرارية الأولى ، كانوا يبحثون عن دورة يمكنك من خلالها الحصول على أعلى كفاءة(نجاعة). سعدي كارنو ، مستكشفًا مجمل العمليات الديناميكية الحرارية ، جاء في نزوة لتطوير دورته الخاصة ، والتي حصلت على اسمه - دورة كارنو. إنه يؤدي بالتتابع عملية ضغط متساوي الحرارة ، ثم عملية ضغط ثابت الحرارة. يحتوي مائع العمل بعد إجراء هذه العمليات على احتياطي من الطاقة الداخلية ، لكن الدورة لم تكتمل بعد ، لذلك يتمدد مائع العمل ويؤدي عملية تمدد متساوي الحرارة. لإكمال الدورة والعودة إلى المعلمات الأصلية لسائل العمل ، يتم تنفيذ عملية تمدد ثابت الحرارة.
أثبت كارنو أن الكفاءة في دورته تصل إلى الحد الأقصى وتعتمد فقط على درجات حرارة متساوي الحرارة. كلما زاد الاختلاف بينهما ، زادت الكفاءة الحرارية المقابلة. لم تنجح محاولات إنشاء محرك حراري وفقًا لدورة كارنو. هذه دورة مثالية لا يمكن تحقيقها. لكنه أثبت المبدأ الرئيسي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية حول استحالة الحصول على عمل مساوٍ لتكلفة الطاقة الحرارية. تمت صياغة عدد من التعريفات للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي على أساسه قدم رودولف كلاوسيوس مفهوم الإنتروبيا. الاستنتاج الرئيسي لبحثه هو أن الانتروبيا تتزايد باستمرار ، مما يؤدي إلى "الموت" الحراري.
كان أهم إنجاز لـ Clausius هو فهم جوهر العملية الحافظة للحرارة ، عندما يتم إجراؤها ، لا تتغير إنتروبيا مائع العمل. لذلك ، وفقًا لكلوسيوس ، فإن العملية الثابتة هي s=const. هنا هو الانتروبيا ، والذي يعطي اسمًا آخر للعملية التي يتم إجراؤها دون إمداد أو إزالة الحرارة ، العملية المتساوية. كان العالم يبحث عنمثل هذه الدورة من المحرك الحراري حيث لن يكون هناك زيادة في الإنتروبيا. لكن ، للأسف ، فشل في القيام بذلك. لذلك ، استنتج أنه لا يمكن إنشاء محرك حراري على الإطلاق.
لكن لم يكن كل الباحثين متشائمين للغاية. كانوا يبحثون عن دورات حقيقية للمحركات الحرارية. نتيجة لبحثهم ، ابتكر نيكولاس أوغست أوتو دورته الخاصة من المحرك الحراري ، والذي يتم تنفيذه الآن في محركات البنزين. هنا ، يتم إجراء عملية ضغط ثابت لضغط مائع العمل وإمداد الحرارة متساوي الصدمات (احتراق الوقود بحجم ثابت) ، ثم يظهر التمدد الكاديمي (يتم العمل بواسطة سائل العمل في عملية زيادة حجمه) إزالة الحرارة. استخدمت محركات الاحتراق الداخلي الأولى في دورة أوتو الغازات القابلة للاحتراق كوقود. بعد ذلك بوقت طويل ، تم اختراع المكربنات ، والتي بدأت في إنشاء مزيج من الهواء والبنزين مع أبخرة البنزين وتزويدها بأسطوانة المحرك.
في دورة أوتو ، يتم ضغط الخليط القابل للاحتراق ، لذلك يكون ضغطه صغيرًا نسبيًا - يميل الخليط القابل للاحتراق إلى التفجير (ينفجر عند الوصول إلى الضغوط الحرجة ودرجات الحرارة). لذلك ، فإن العمل أثناء عملية ضغط ثابت الحرارة صغير نسبيًا. تم تقديم مفهوم آخر هنا: نسبة الضغط هي نسبة الحجم الكلي إلى حجم الضغط.
استمر البحث عن طرق لزيادة كفاءة استهلاك الطاقة في الوقود. لوحظ زيادة في الكفاءة في زيادة نسبة الضغط. طور رودولف ديزل دورته الخاصة التي يتم فيها توفير الحرارةعند ضغط مستمر (في عملية متساوية الضغط). شكلت دورته التدريبية أساس المحركات التي تستخدم وقود الديزل (ويسمى أيضًا وقود الديزل). لا تضغط دورة الديزل على الخليط القابل للاحتراق ، بل تضغط الهواء. لذلك ، يُقال إن العمل يتم في عملية ثابتة الحرارة. درجة الحرارة والضغط في نهاية الضغط مرتفعان ، لذلك يتم حقن الوقود من خلال الحقن. يمتزج بالهواء الساخن ، ويشكل خليطًا قابلًا للاحتراق. يحترق ، بينما تزداد الطاقة الداخلية لسائل العمل. علاوة على ذلك ، فإن تمدد الغاز يسير على طول ثابت الحرارة ، يتم عمل شوط عمل.
فشلت محاولة تنفيذ دورة الديزل في المحركات الحرارية ، لذلك أنشأ Gustav Trinkler دورة Trinkler المدمجة. يتم استخدامه في محركات الديزل اليوم. في دورة Trinkler ، يتم توفير الحرارة على طول isochore ثم على طول isobar. بعد ذلك فقط ، يتم تنفيذ العملية الحافظة للحرارة لتوسيع مائع العمل.
بالقياس مع المحركات الحرارية الترددية ، تعمل المحركات التوربينية أيضًا. ولكن في نفوسهم ، تتم عملية إزالة الحرارة بعد الانتهاء من التمدد الحرارى المفيد للغاز على طول isobar. في الطائرات ذات المحركات التوربينية والتوربينية الغازية ، تحدث العملية الحافظة للحرارة مرتين: أثناء الضغط والتمدد.
لإثبات جميع المفاهيم الأساسية لعملية ثابت الحرارة ، تم اقتراح صيغ الحساب. تظهر هنا كمية مهمة تسمى الأس ثابت الحرارة. قيمته بالنسبة للغاز ثنائي الذرة (الأكسجين والنيتروجين هما الغازات ثنائية الذرة الرئيسية الموجودة في الهواء) هي 1.4. لحسابالأس ثابت الحرارة ، يتم استخدام خاصيتين أكثر إثارة للاهتمام ، وهما: السعة الحرارية متساوية الضغط ومتساوية الصدور لسائل العمل. نسبتهم k=Cp / Cv هو الأس ثابت الحرارة.
لماذا يتم استخدام العملية الحافظة للحرارة في الدورات النظرية للمحركات الحرارية؟ في الواقع ، يتم تنفيذ عمليات متعددة الاتجاهات ، ولكن نظرًا لحقيقة حدوثها بسرعة عالية ، فمن المعتاد افتراض عدم وجود تبادل حراري مع البيئة.
90٪ من الكهرباء تولدها محطات الطاقة الحرارية. يستخدمون بخار الماء كسائل عامل. يتم الحصول عليها عن طريق غليان الماء. لزيادة قدرة البخار على العمل ، يتم تسخينها بشكل مفرط. يتم بعد ذلك تغذية البخار المحمص عند ضغط مرتفع إلى توربين بخاري. تتم هنا أيضًا عملية تمدد البخار ثابتة الحرارة. يستقبل التوربين الدوران ، ويتم نقله إلى مولد كهربائي. وهذا بدوره يولد الكهرباء للمستهلكين. تعمل التوربينات البخارية على دورة رانكين. من الناحية المثالية ، ترتبط زيادة الكفاءة أيضًا بزيادة درجة حرارة وضغط بخار الماء.
كما يتضح مما سبق ، فإن العملية الحافظة للحرارة شائعة جدًا في إنتاج الطاقة الميكانيكية والكهربائية.
