المحرك الحراري: التعريف والأنواع والأمثلة

المحركات الحرارية في كل مكان حولك. من السيارة التي تقودها إلى الثلاجة التي تحافظ على برودة طعامك إلى أنظمة التدفئة والتبريد في منزلك ، تعمل جميعها على نفس المبادئ الأساسية.

الهدف من أي محرك حراري هو تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل مفيد ، وهناك العديد من الطرق المختلفة التي يمكنك استخدامها للقيام بذلك. أحد أبسط أشكال المحركات الحرارية هو محرك كارنو ، الذي سمي على اسم عالم الفيزياء الفرنسي نيكولاس ليونارد سادي كارنو ، مبني حول عملية مثالية من أربع مراحل تعتمد على ثابت الحرارة ومتساوي الحرارة مراحل.

لكن محرك Carnot هو مجرد مثال واحد لمحرك حراري ، والعديد من الأنواع الأخرى تحقق نفس الهدف الأساسي. يعد التعرف على كيفية عمل المحركات الحرارية وكيفية القيام بأشياء مثل حساب كفاءة المحرك الحراري أمرًا مهمًا لأي شخص يدرس الديناميكا الحرارية.

المحرك الحراري هو نظام ديناميكي حراري يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. على الرغم من أن العديد من التصميمات المختلفة تندرج تحت هذا العنوان العام ، إلا أن العديد من المكونات الأساسية توجد في أي محرك حراري تقريبًا.

يحتاج أي محرك حراري إلى حمام حراري أو مصدر حرارة عالي الحرارة ، والذي يمكن أن يتخذ أشكالًا مختلفة (على سبيل المثال ، المفاعل النووي هو مصدر الحرارة في محطة للطاقة النووية ، ولكن في كثير من الحالات ، يتم استخدام الوقود المحترق كحرارة مصدر). بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون هناك خزان بارد بدرجة حرارة منخفضة ، وكذلك المحرك نفسه ، والذي عادة ما يكون عبارة عن غاز يتمدد عند استخدام الحرارة.

يمتص المحرك الحرارة من الخزان الساخن ويتمدد ، وعملية التمدد هذه هي التي تعمل على البيئة ، وعادة ما يتم تسخيرها في شكل قابل للاستخدام مع مكبس. ثم يطلق النظام الطاقة الحرارية مرة أخرى في الخزان البارد ويعود إلى حالته الأولية. تتكرر العملية بعد ذلك ، مرارًا وتكرارًا بطريقة دورية من أجل توليد عمل مفيد بشكل مستمر.

تعتبر الدورات الديناميكية الحرارية أو دورات المحرك طريقة عامة لوصف العديد من الأنظمة الديناميكية الحرارية المحددة التي تعمل بالطريقة الدورية الشائعة في معظم المحركات الحرارية. أبسط مثال على محرك حراري يعمل مع دورات ديناميكية حرارية هو محرك كارنو أو محرك يعمل على أساس دورة كارنو. هذا هو الشكل المثالي للمحرك الحراري الذي يتضمن عمليات عكسية فقط ، ولا سيما الضغط والتمدد ثابت الحرارة ومتساوي الحرارة.

تعمل جميع محركات الاحتراق الداخلي على دورة أوتو ، وهي نوع آخر من الدورات الديناميكية الحرارية التي تستخدم اشتعال الوقود للعمل على المكبس. في المرحلة الأولى ، يسقط المكبس لسحب خليط الوقود والهواء في المحرك ، ثم يتم ضغطه بشكل ثابت في المرحلة الثانية ويشعل في المرحلة الثالثة.

هناك زيادة سريعة في درجة الحرارة والضغط ، والتي تعمل على المكبس من خلال التمدد الأديباتي ، قبل فتح صمام العادم ، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط. أخيرًا ، يرتفع المكبس لإزالة الغازات المستهلكة وإكمال دورة المحرك.

نوع آخر من المحركات الحرارية هو محرك ستيرلنغ ، والذي يحتوي على كمية ثابتة من الغاز تتحرك بين أسطوانتين مختلفتين في مراحل مختلفة من العملية. تتضمن المرحلة الأولى تسخين الغاز لرفع درجة الحرارة وإنتاج ضغط مرتفع يحرك مكبسًا لتوفير عمل مفيد.

ثم يرتفع المكبس إلى الأعلى ويدفع الغاز إلى أسطوانة ثانية ، حيث يتم تبريده بواسطة البرودة الخزان قبل ضغطه مرة أخرى ، وهي عملية تتطلب عملاً أقل مما تم إنتاجه في السابق المسرح. أخيرًا ، يتم إرجاع الغاز إلى الغرفة الأصلية ، حيث تتكرر دورة محرك ستيرلنغ.

كفاءة المحرك الحراري هي نسبة ناتج العمل المفيد إلى الحرارة أو مدخلات الطاقة الحرارية ، و تكون النتيجة دائمًا قيمة بين 0 و 1 ، مع عدم وجود وحدات لأنه يتم قياس كل من الطاقة الحرارية ومخرجات العمل جول. هذا يعني أنه إذا كان لديك ملففي احسن الاحوالمحرك حراري ، سيكون له كفاءة 1 ويحول كل الطاقة الحرارية إلى عمل قابل للاستخدام ، و إذا تمكنت من تحويل نصفها ، فستكون الكفاءة 0.5. في الشكل الأساسي ، يمكن أن تكون الصيغة مكتوبة:

بالطبع ، من المستحيل أن يكون للمحرك الحراري كفاءة 1 ، لأن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يفرض أن أي نظام مغلق سيزداد في الانتروبيا بمرور الوقت. على الرغم من وجود تعريف رياضي دقيق للإنتروبيا يمكنك استخدامه لفهم ذلك ، فإن أبسط طريقة لذلك فكر في الأمر هو أن أوجه القصور المتأصلة في أي عملية تؤدي إلى فقد بعض الطاقة ، عادة في شكل نفايات الحرارة. على سبيل المثال ، سيكون لمكبس المحرك بلا شك بعض الاحتكاك الذي يعمل ضد حركته ، مما يعني أن النظام سيفقد الطاقة في عملية تحويل الحرارة إلى عمل.

الكفاءة القصوى النظرية للمحرك الحراري تسمى كفاءة كارنو. معادلة هذا تتعلق بدرجة حرارة الخزان الساخنتي​_ح وخزان باردتي​_ج للكفاءة (η) من المحرك.

يمكنك ضرب نتيجة هذا في 100 إذا كنت تريد التعبير عن الإجابة كنسبة مئوية. من المهم أن تتذكر أن هذا هونظريالحد الأقصى - من غير المحتمل أن يقترب أي محرك في العالم الحقيقي من كفاءة Carnot من الناحية العملية.

الشيء المهم الذي يجب ملاحظته هو أنك تزيد من كفاءة المحركات الحرارية عن طريق زيادة الاختلاف في درجة الحرارة بين الخزان الساخن والخزان البارد. لمحرك السيارة ،تي​_ح هي درجة حرارة الغازات داخل المحرك عند الاحتراق ، وتي​_ج هي درجة الحرارة التي يتم عندها دفعهم خارج المحرك.

يعد المحرك البخاري والتوربينات البخارية من أشهر الأمثلة على المحركات الحرارية ، و كان اختراع المحرك البخاري حدثًا تاريخيًا مهمًا في تصنيع المجتمع. يعمل المحرك البخاري بطريقة مشابهة جدًا للمحركات الحرارية الأخرى التي تمت مناقشتها حتى الآن: المرجل يحول الماء إلى البخار ، والذي يتم إرساله إلى أسطوانة تحتوي على مكبس ، والضغط العالي للبخار يحرك اسطوانة.

ينقل البخار بعضًا من الطاقة الحرارية إلى الأسطوانة ، ويصبح أكثر برودة في هذه العملية ، وبعد ذلك عندما يتم دفع المكبس بالكامل ، يتم إخراج البخار المتبقي من الأسطوانة. عند هذه النقطة ، يعود المكبس إلى موضعه الأصلي (أحيانًا يتم توجيه البخار إلى موضعه الآخر جانب المكبس حتى يتمكن من دفعه للخلف أيضًا) ، وتبدأ الدورة الديناميكية الحرارية مرة أخرى بمزيد من البخار.

يسمح هذا التصميم البسيط نسبيًا بإنتاج قدر كبير من العمل المفيد من أي شيء قادر على غليان الماء. تعتمد كفاءة المحرك الحراري بهذا التصميم على الاختلاف بين درجة حرارة البخار ودرجة حرارة الهواء المحيط. تستخدم قاطرة بخارية العمل الناتج عن هذه العملية لتدوير العجلات ودفع القطار.

تعمل التوربينات البخارية بطريقة مشابهة جدًا ، إلا أن العمل يذهب إلى تدوير التوربين بدلاً من تحريك المكبس. هذه طريقة مفيدة بشكل خاص لتوليد الكهرباء بسبب الحركة الدورانية الناتجة عن البخار.

يعمل محرك الاحتراق الداخلي على أساس دورة أوتو الموصوفة أعلاه ، مع اشتعال شراري لمحركات البنزين واشتعال انضغاطي لمحركات الديزل. يتمثل الاختلاف الرئيسي بينهما في الطريقة التي يتم بها إشعال خليط الوقود والهواء ، حيث يتم ضغط خليط الوقود والهواء ثم اشتعلت جسديًا في محركات البنزين والوقود الذي يتم رشه في الهواء المضغوط في محركات الديزل ، مما يؤدي إلى اشتعاله من درجة الحرارة.

بصرف النظر عن هذا ، تكتمل بقية دورة أوتو كما هو موضح سابقًا: يتم سحب الوقود إلى المحرك (أو مجرد الهواء من أجل الديزل) ، مضغوط ، مشتعل (بواسطة شرارة للوقود ورش الوقود في الهواء الساخن والمضغوط للديزل) ، والذي يقوم بعمل قابل للاستخدام على المكبس من خلال التمدد الأديباتي ، ثم يفتح صمام العادم لتقليل الضغط ، ويدفع المكبس للخارج الغاز المستعمل.

تعمل المضخات الحرارية ومكيفات الهواء والثلاجات على شكل من أشكال الدورة الحرارية أيضًا ، على الرغم من أن لها هدفًا مختلفًا يتمثل في استخدام العمل لتحريك الطاقة الحرارية بدلاً من العكس. على سبيل المثال ، في دورة تسخين المضخة الحرارية ، يمتص المبرد الحرارة من الهواء الخارجي بسبب انخفاض درجة حرارته (منذ الحرارةدائمايتدفق من حار إلى بارد) ، ثم يتم دفعه عبر ضاغط لرفع ضغطه وبالتالي درجة حرارته.

ثم يتم نقل هذا الهواء الأكثر سخونة إلى المكثف ، بالقرب من الغرفة المراد تسخينها ، حيث تقوم نفس العملية بنقل الحرارة إلى الغرفة. أخيرًا ، يتم نقل المبرد إلى صمام يعمل على خفض الضغط وبالتالي درجة الحرارة ، ويكون جاهزًا لدورة تسخين أخرى.

في دورة التبريد (كما هو الحال في وحدة تكييف الهواء أو الثلاجة) ، تتم العملية بشكل عكسي. يمتص المبرد الطاقة الحرارية من الغرفة (أو داخل الثلاجة) لأنه يتم الاحتفاظ بها عند درجة حرارة درجة الحرارة الباردة ، ثم يتم دفعها عبر الضاغط لزيادة الضغط و درجة الحرارة.

في هذه المرحلة ، يتحرك إلى خارج الغرفة (أو في الجزء الخلفي من الثلاجة) ، حيث يتم نقل الطاقة الحرارية إلى الهواء الخارجي البارد (أو الغرفة المحيطة). ثم يتم إرسال المبرد عبر الصمام لخفض الضغط ودرجة الحرارة ، وقراءة دورة تسخين أخرى.

نظرًا لأن الهدف من هذه العمليات هو عكس أمثلة المحرك ، فإن التعبير عن كفاءة مضخة الحرارة أو الثلاجة مختلف أيضًا. هذا يمكن التنبؤ به تمامًا من حيث الشكل. للتدفئة:

وللتبريد:

أين السالمصطلحات هي للطاقة الحرارية التي تم نقلها إلى الغرفة (مع حرف H) وانتقلت منها (مع الرمز C) ودبليو​_في هو مدخل العمل في النظام على شكل كهرباء. مرة أخرى ، هذه القيمة عبارة عن رقم بدون أبعاد بين 0 و 1 ، ولكن يمكنك ضرب النتيجة في 100 للحصول على نسبة مئوية إذا كنت تفضل ذلك.

محطات الطاقة أو محطات الطاقة هي في الحقيقة مجرد شكل آخر من أشكال المحركات الحرارية ، سواء كانت تولد الحرارة باستخدام مفاعل نووي أو عن طريق حرق الوقود. يتم استخدام مصدر الحرارة لتحريك التوربينات وبالتالي القيام بأعمال ميكانيكية ، وغالبًا ما يستخدم البخار من الماء الساخن لتدوير التوربينات البخارية ، والتي تولد الكهرباء بالطريقة الموضحة أعلاه. يمكن أن تختلف دورة الحرارة الدقيقة المستخدمة بين محطات توليد الطاقة ، لكن دورة رانكين شائعة الاستخدام.

تبدأ دورة رانكين بمصدر حرارة يرفع درجة حرارة الماء ، ثم يتمدد بخار الماء في أ التوربين ، متبوعًا بالتكثيف في المكثف (إطلاق الحرارة المفقودة في العملية) ، قبل أن ينتقل الماء المبرد إلى مضخة. تعمل المضخة على زيادة ضغط الماء وتهيئته لمزيد من التسخين.