हीट इंजन: परिभाषा, प्रकार और उदाहरण

आपके चारों ओर हीट इंजन हैं। आपके द्वारा ड्राइव की जाने वाली कार से लेकर रेफ्रिजरेटर तक जो आपके भोजन को आपके घर के हीटिंग और कूलिंग सिस्टम तक ठंडा रखता है, वे सभी एक ही प्रमुख सिद्धांतों के आधार पर काम करते हैं।

किसी भी ऊष्मा इंजन का लक्ष्य ऊष्मा ऊर्जा को उपयोगी कार्य में परिवर्तित करना होता है, और ऐसा करने के लिए आप कई अलग-अलग तरीकों का उपयोग कर सकते हैं। ऊष्मा इंजन के सबसे सरल रूपों में से एक कार्नोट इंजन है, जिसका नाम फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी निकोलस के नाम पर रखा गया है लियोनार्ड साडी कार्नोट, एक आदर्श चार-चरण प्रक्रिया के आसपास बनाया गया है जो एडियाबेटिक और इज़ोटेर्मल पर निर्भर करता है चरण।

लेकिन कार्नोट इंजन ऊष्मा इंजन का सिर्फ एक उदाहरण है, और कई अन्य प्रकार समान मूल लक्ष्य को प्राप्त करते हैं। ऊष्मप्रवैगिकी का अध्ययन करने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए यह सीखना महत्वपूर्ण है कि ऊष्मा इंजन कैसे काम करते हैं और ऊष्मा इंजन की दक्षता की गणना कैसे करें।

ऊष्मा इंजन एक ऊष्मागतिक प्रणाली है जो ऊष्मा ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करती है। हालांकि कई अलग-अलग डिज़ाइन इस सामान्य शीर्षक के अंतर्गत आते हैं, कई बुनियादी घटक लगभग किसी भी ताप इंजन में पाए जाते हैं।

किसी भी ऊष्मा इंजन को ऊष्मा स्नान या उच्च तापमान वाले ऊष्मा स्रोत की आवश्यकता होती है, जो कई अलग-अलग रूप ले सकता है (उदाहरण के लिए, एक परमाणु रिएक्टर एक परमाणु ऊर्जा संयंत्र में गर्मी का स्रोत है, लेकिन कई मामलों में जलने वाले ईंधन का उपयोग गर्मी के रूप में किया जाता है स्रोत)। इसके अतिरिक्त, एक कम तापमान वाला ठंडा जलाशय होना चाहिए, साथ ही साथ इंजन भी होना चाहिए, जो आमतौर पर गैस होती है जो गर्मी लगाने पर फैलती है।

इंजन गर्म जलाशय से गर्मी को अवशोषित करता है और फैलता है, और यह विस्तार प्रक्रिया पर्यावरण पर काम करती है, आमतौर पर पिस्टन के साथ प्रयोग करने योग्य रूप में उपयोग की जाती है। सिस्टम तब ऊष्मा ऊर्जा को वापस ठंडे जलाशय में छोड़ता है और अपनी प्रारंभिक अवस्था में लौट आता है। उपयोगी कार्य को लगातार उत्पन्न करने के लिए प्रक्रिया चक्रीय तरीके से बार-बार दोहराती है।

थर्मोडायनामिक चक्र या इंजन चक्र कई विशिष्ट थर्मोडायनामिक प्रणालियों का वर्णन करने का एक सामान्य तरीका है जो चक्रीय तरीके से अधिकांश ताप इंजनों के लिए सामान्य रूप से काम करते हैं। थर्मोडायनामिक चक्रों के साथ काम करने वाले ऊष्मा इंजन का सबसे सरल उदाहरण कार्नोट इंजन या कार्नोट चक्र पर आधारित इंजन है। यह ऊष्मा इंजन का एक आदर्श रूप है जिसमें केवल प्रतिवर्ती प्रक्रियाएं शामिल होती हैं, विशेष रूप से रुद्धोष्म और समतापीय संपीड़न और विस्तार में।

सभी आंतरिक दहन इंजन ओटो चक्र पर काम करते हैं, जो एक अन्य प्रकार का थर्मोडायनामिक चक्र है जो पिस्टन पर काम करने के लिए ईंधन के प्रज्वलन का उपयोग करता है। पहले चरण में, पिस्टन इंजन में ईंधन-वायु मिश्रण खींचने के लिए गिरता है, जिसे बाद में दूसरे चरण में एडियाबेटिक रूप से संपीड़ित किया जाता है और तीसरे में प्रज्वलित किया जाता है।

तापमान और दबाव में तेजी से वृद्धि होती है, जो निकास वाल्व के खुलने से पहले एडियाबेटिक विस्तार के माध्यम से पिस्टन पर काम करता है, जिससे दबाव में कमी आती है। अंत में, पिस्टन खर्च की गई गैसों को साफ करने और इंजन चक्र को पूरा करने के लिए ऊपर उठता है।

एक अन्य प्रकार का ऊष्मा इंजन स्टर्लिंग इंजन है, जिसमें एक निश्चित मात्रा में गैस होती है जो प्रक्रिया के विभिन्न चरणों में दो अलग-अलग सिलेंडरों के बीच चलती है। पहले चरण में तापमान बढ़ाने और उच्च दबाव उत्पन्न करने के लिए गैस को गर्म करना शामिल है, जो उपयोगी कार्य प्रदान करने के लिए एक पिस्टन को स्थानांतरित करता है।

पिस्टन फिर वापस ऊपर उठता है और गैस को दूसरे सिलेंडर में धकेलता है, जहां इसे ठंड से ठंडा किया जाता है जलाशय फिर से संकुचित होने से पहले, एक प्रक्रिया जिसमें पिछले की तुलना में कम काम की आवश्यकता होती है मंच। अंत में, गैस को वापस मूल कक्ष में ले जाया जाता है, जहां स्टर्लिंग इंजन चक्र दोहराता है।

ऊष्मा इंजन की दक्षता उपयोगी कार्य आउटपुट का ताप या तापीय ऊर्जा इनपुट का अनुपात है, और परिणाम हमेशा 0 और 1 के बीच का मान होता है, जिसमें कोई इकाई नहीं होती है क्योंकि ऊष्मीय ऊर्जा और कार्य आउटपुट दोनों को मापा जाता है जूल इसका मतलब यह है कि अगर आपके पासउत्तमऊष्मा इंजन, इसकी दक्षता 1 होगी और सभी ऊष्मा ऊर्जा को प्रयोग करने योग्य कार्य में परिवर्तित करेगा, और अगर यह इसके आधे हिस्से को बदलने में कामयाब रहा तो दक्षता 0.5 होगी। मूल रूप में, सूत्र हो सकता है लिखा हुआ:

बेशक, ऊष्मा इंजन के लिए 1 की दक्षता होना असंभव है, क्योंकि ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम यह बताता है कि कोई भी बंद प्रणाली समय के साथ एन्ट्रापी में वृद्धि करेगी। यद्यपि एन्ट्रापी की एक सटीक गणितीय परिभाषा है जिसका उपयोग आप इसे समझने के लिए कर सकते हैं, इसका सबसे सरल तरीका way इसके बारे में सोचें कि किसी भी प्रक्रिया में निहित अक्षमताओं से ऊर्जा की कुछ हानि होती है, आमतौर पर अपशिष्ट के रूप में तपिश। उदाहरण के लिए, एक इंजन के पिस्टन में निस्संदेह इसकी गति के विरुद्ध काम करने वाला कुछ घर्षण होगा, जिसका अर्थ है कि सिस्टम गर्मी को काम में बदलने की प्रक्रिया में ऊर्जा खो देगा।

ऊष्मा इंजन की सैद्धांतिक अधिकतम दक्षता को कार्नोट दक्षता कहा जाता है। इसके लिए समीकरण गर्म जलाशय के तापमान से संबंधित हैटी​_एच और ठंडा जलाशयटी​_सी दक्षता के लिए (η) इंजन का।

यदि आप उत्तर को प्रतिशत के रूप में व्यक्त करना चाहते हैं तो आप इसके परिणाम को 100 से गुणा कर सकते हैं। यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि यह हैसैद्धांतिकमैक्सिमम - यह संभावना नहीं है कि कोई भी वास्तविक दुनिया का इंजन वास्तव में कार्नोट दक्षता को व्यवहार में लाएगा।

ध्यान देने वाली महत्वपूर्ण बात यह है कि आप गर्म जलाशय और ठंडे जलाशय के बीच तापमान के अंतर को बढ़ाकर ऊष्मा इंजनों की दक्षता को अधिकतम करते हैं। एक ऑटोमोबाइल इंजन के लिए,टी​_एच दहन होने पर इंजन के अंदर गैसों का तापमान होता है, औरटी​_सी वह तापमान जिस पर उन्हें इंजन से बाहर धकेला जाता है।

स्टीम इंजन और स्टीम टर्बाइन हीट इंजन के दो सबसे प्रसिद्ध उदाहरण हैं, और भाप इंजन का आविष्कार किसके औद्योगीकरण में एक महत्वपूर्ण ऐतिहासिक घटना थी? समाज। एक भाप इंजन अब तक चर्चा किए गए अन्य ताप इंजनों के समान ही काम करता है: एक बॉयलर पानी बदल देता है भाप में, जो एक पिस्टन वाले सिलेंडर में भेजा जाता है, और भाप का उच्च दबाव चलता है सिलेंडर।

भाप कुछ तापीय ऊर्जा को सिलेंडर में स्थानांतरित करती है, इस प्रक्रिया में कूलर हो रही है, और फिर जब पिस्टन को पूरी तरह से बाहर धकेल दिया जाता है, तो शेष भाप सिलेंडर से बाहर निकल जाती है। इस बिंदु पर, पिस्टन अपनी मूल स्थिति में लौट आता है (कभी-कभी भाप को दूसरी तरफ घुमाया जाता है पिस्टन की तरफ ताकि वह इसे पीछे भी धकेल सके), और थर्मोडायनामिक चक्र फिर से अधिक भाप के साथ शुरू होता है।

यह अपेक्षाकृत सरल डिजाइन उबलते पानी में सक्षम किसी भी चीज से बड़ी मात्रा में उपयोगी कार्य उत्पन्न करने की अनुमति देता है। इस डिज़ाइन वाले ऊष्मा इंजन की दक्षता भाप के तापमान और आसपास की हवा के बीच के अंतर पर निर्भर करती है। स्टीम लोकोमोटिव इस प्रक्रिया से सृजित कार्य का उपयोग पहियों को घुमाने और ट्रेन को आगे बढ़ाने के लिए करता है।

स्टीम टर्बाइन बहुत समान तरीके से काम करता है, सिवाय इसके कि काम पिस्टन को हिलाने के बजाय टरबाइन को घुमाने में जाता है। भाप द्वारा उत्पन्न घूर्णी गति के कारण बिजली उत्पन्न करने का यह एक विशेष रूप से उपयोगी तरीका है।

आंतरिक दहन इंजन ऊपर वर्णित ओटो चक्र के आधार पर काम करता है, जिसमें गैसोलीन इंजन के लिए स्पार्क इग्निशन का उपयोग किया जाता है और डीजल इंजनों के लिए संपीड़न इग्निशन का उपयोग किया जाता है। इनके बीच मुख्य अंतर यह है कि जिस तरह से ईंधन-वायु मिश्रण को प्रज्वलित किया जाता है, ईंधन-वायु मिश्रण को संपीड़ित किया जाता है और फिर गैसोलीन इंजनों में भौतिक रूप से प्रज्वलित किया जाता है और डीजल इंजनों में संपीड़ित हवा में ईंधन का छिड़काव किया जाता है, जिससे यह प्रज्वलित होता है तापमान।

इसके अलावा, बाकी ओटो चक्र को पहले वर्णित के रूप में पूरा किया गया है: ईंधन को इंजन में खींचा जाता है (या केवल हवा के लिए डीजल), संपीड़ित, प्रज्वलित (ईंधन के लिए एक चिंगारी द्वारा और डीजल के लिए गर्म, संपीड़ित हवा में ईंधन का छिड़काव), जो प्रयोग करने योग्य काम करता है एडियाबेटिक विस्तार के माध्यम से पिस्टन पर, और फिर दबाव को कम करने के लिए निकास वाल्व खुलता है, और पिस्टन बाहर धकेलता है प्रयुक्त गैस।

हीट पंप, एयर कंडीशनर और रेफ्रीजरेटर सभी गर्मी चक्र के रूप में भी काम करते हैं, हालांकि उनके पास विपरीत के बजाय गर्मी ऊर्जा को इधर-उधर करने के लिए काम का उपयोग करने का अलग लक्ष्य है। उदाहरण के लिए, एक ताप पंप के ताप चक्र में, रेफ्रिजरेंट अपने कम तापमान (गर्मी के बाद से) के कारण बाहरी हवा से गर्मी को अवशोषित करता है।हमेशागर्म से ठंडे की ओर प्रवाहित होता है), और फिर इसका दबाव बढ़ाने के लिए एक कंप्रेसर के माध्यम से धक्का दिया जाता है और इसलिए इसका तापमान।

इस गर्म हवा को गर्म करने के लिए कमरे के पास कंडेनसर में ले जाया जाता है, जहां वही प्रक्रिया गर्मी को कमरे में स्थानांतरित करती है। अंत में, रेफ्रिजरेंट को एक वाल्व में ले जाया जाता है जो दबाव को कम करता है और इसलिए तापमान, एक और हीटिंग चक्र के लिए तैयार होता है।

शीतलन चक्र में (जैसा कि एक एयर कंडीशनिंग इकाई या रेफ्रिजरेटर में) प्रक्रिया अनिवार्य रूप से विपरीत में चलती है। रेफ्रिजरेंट कमरे से (या रेफ्रिजरेटर के अंदर) ऊष्मा ऊर्जा को अवशोषित करता है क्योंकि इसे a. पर रखा जाता है ठंडा तापमान, और फिर इसे दबाव बढ़ाने के लिए कंप्रेसर के माध्यम से धकेल दिया जाता है और तापमान।

इस बिंदु पर, यह कमरे के बाहर (या रेफ्रिजरेटर के पीछे) में घूमता है, जहां गर्मी ऊर्जा कूलर के बाहर हवा (या आसपास के कमरे) में स्थानांतरित हो जाती है। फिर रेफ्रिजरेंट को वाल्व के माध्यम से दबाव और तापमान को कम करने के लिए भेजा जाता है, एक और हीटिंग चक्र के लिए पढ़ना।

चूंकि इन प्रक्रियाओं का लक्ष्य इंजन के उदाहरणों के विपरीत है, गर्मी पंप या रेफ्रिजरेटर की दक्षता के लिए अभिव्यक्ति भी अलग है। हालांकि, यह रूप में काफी अनुमानित है। गर्म करने के लिए:

और ठंडा करने के लिए:

जहांक्यूकमरे में चली गई ऊष्मा ऊर्जा के लिए शब्द हैं (H सबस्क्रिप्ट के साथ) और इससे बाहर चले गए (C सबस्क्रिप्ट के साथ) औरवू​_में बिजली के रूप में सिस्टम में कार्य इनपुट है। फिर, यह मान 0 और 1 के बीच एक आयामहीन संख्या है, लेकिन यदि आप चाहें तो प्रतिशत प्राप्त करने के लिए परिणाम को 100 से गुणा कर सकते हैं।

पावर स्टेशन या पावर प्लांट वास्तव में ऊष्मा इंजन का एक और रूप है, चाहे वे परमाणु रिएक्टर का उपयोग करके या ईंधन जलाने से गर्मी पैदा करते हों। ताप स्रोत का उपयोग टर्बाइनों को स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है और इस तरह यांत्रिक कार्य करते हैं, अक्सर गर्म पानी से भाप का उपयोग करके भाप टरबाइन को घुमाते हैं, जो ऊपर वर्णित तरीके से बिजली उत्पन्न करता है। उपयोग किया जाने वाला सटीक ताप चक्र बिजली संयंत्रों के बीच भिन्न हो सकता है, लेकिन रैंकिन चक्र आमतौर पर उपयोग किया जाता है।

रैंकिन चक्र गर्मी स्रोत से पानी के तापमान को बढ़ाने के साथ शुरू होता है, फिर जल वाष्प का विस्तार a में होता है टर्बाइन, इसके बाद कंडेनसर में संघनन (प्रक्रिया में अपशिष्ट ताप को छोड़ना), ठंडा पानी में जाने से पहले पंप। पंप पानी के दबाव को बढ़ाता है और इसे और गर्म करने के लिए तैयार करता है।