სითბოს ძრავა: განმარტება, ტიპები და მაგალითები

სითბოს ძრავები თქვენს გარშემოა. მანქანიდან, მაცივრით, რომელიც თქვენს საჭმელს სიგრილეს ინახავს, ​​სახლის გათბობისა და გაგრილების სისტემამდე დამთავრებული, ისინი ყველა ერთი და იმავე ძირითადი პრინციპების საფუძველზე მუშაობენ.

ნებისმიერი სითბური ძრავის მიზანია სითბოს ენერგიის სასარგებლო სამუშაოდ გადაქცევა და ამისათვის მრავალი განსხვავებული მიდგომა შეგიძლიათ გამოიყენოთ. სითბოს ძრავის ერთ-ერთი უმარტივესი ფორმაა კარნო ძრავა, რომელსაც ფრანგი ფიზიკოსის ნიკოლას სახელი მიენიჭა ლეონარდ სადი კარნო, აგებული იდეალიზებული ოთხსაფეხურიანი პროცესის გარშემო, რაც დამოკიდებულია ადიაბატურ და იზოთერმულ ეტაპები.

მაგრამ კარნოტის ძრავა სითბოს ძრავის მხოლოდ ერთი მაგალითია და მრავალი სხვა ტიპი მიაღწევს იგივე ძირითად მიზანს. თერმოდინამიკის შემსწავლელისთვის მნიშვნელოვანია იმის ცოდნა, თუ როგორ მუშაობენ სითბოს ძრავები და როგორ უნდა გავაკეთოთ ისეთი რამ, როგორიცაა გათბობის ძრავის ეფექტურობა.

სითბოს ძრავა არის თერმოდინამიკური სისტემა, რომელიც სითბოს ენერგიას მექანიკურ ენერგიად აქცევს. მიუხედავად იმისა, რომ მრავალი განსხვავებული დიზაინი ხვდება ამ ზოგად სათაურს, რამდენიმე ძირითადი კომპონენტი გვხვდება თითქმის ნებისმიერ სითბოს ძრავაში.

ნებისმიერ სითბოს ძრავას სჭირდება სითბოს აბაზანა ან მაღალტემპერატურული სითბოს წყარო, რომელსაც შეუძლია მიიღოს სხვადასხვა ფორმა (მაგალითად, ბირთვული რეაქტორი არის ბირთვული ელექტროსადგურის სითბოს წყარო, მაგრამ ხშირ შემთხვევაში წვის საწვავი გამოიყენება როგორც სითბო წყარო). გარდა ამისა, უნდა არსებობდეს დაბალი ტემპერატურის ცივი რეზერვუარი, ისევე როგორც თვით ძრავა, რომელიც ჩვეულებრივ არის გაზი, რომელიც ფართოვდება სითბოს გამოყენებისას.

ძრავა შთანთქავს სითბოს ცხელი რეზერვუარიდან და აფართოებს და ამ გაფართოების პროცესი მოქმედებს გარემოზე, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება დგუშით გამოსაყენებელ ფორმაში. შემდეგ სისტემა სითბოს ენერგიას ისევ ცივ წყალსაცავში ათავისუფლებს და საწყის მდგომარეობას უბრუნდება. შემდეგ პროცესი მეორდება, ციკლური მეთოდით, განმეორებით სასარგებლო სამუშაოს წარმოქმნის მიზნით.

თერმოდინამიკური ციკლები ან ძრავის ციკლები ზოგადი მეთოდია მრავალი სპეციფიკური თერმოდინამიკური სისტემის აღსაწერად, რომლებიც მუშაობენ ციკლური მეთოდით, რომელიც უმეტესობა სითბური ძრავებისთვისაა. თერმოდინამიკურ ციკლებთან მომუშავე სითბური ძრავის უმარტივესი მაგალითია კარნოტის ძრავა ან კარნოტის ციკლის საფუძველზე მოქმედი ძრავა. ეს არის სითბოს ძრავის იდეალიზებული ფორმა, რომელიც მოიცავს მხოლოდ შექცევად პროცესებს, განსაკუთრებით ადიაბატურ და იზოთერმულ შეკუმშვას და გაფართოებას.

ყველა შიდა წვის ძრავა მუშაობს ოტოს ციკლზე, რაც თერმოდინამიკური ციკლის კიდევ ერთი სახეობაა, რომელიც იყენებს საწვავის ანთებას დგუშზე სამუშაოს შესასრულებლად. პირველ ეტაპზე დგუში ეცემა საწვავის და ჰაერის ნარევი ძრავაში, რომელიც შემდეგ ადიაბატურად იკუმშება მეორე ეტაპზე და ანთებულია მესამეში.

ხდება ტემპერატურისა და წნევის სწრაფი ზრდა, რაც მუშაობს დგუშზე ადიაბატური გაფართოების გზით, გამონაბოლქვი სარქვლის გახსნამდე, რაც იწვევს წნევის შემცირებას. დაბოლოს, დგუში დგება დახარჯული გაზების გასასუფთავებლად და ძრავის ციკლის გასასრულებლად.

სითბური ძრავის კიდევ ერთი სახეობაა სტერლინგის ძრავა, რომელიც შეიცავს ფიქსირებულ რაოდენობის გაზს, რომელიც მოძრაობს ორ სხვადასხვა ცილინდრს შორის პროცესის სხვადასხვა ეტაპზე. პირველი ეტაპი მოიცავს გაზზე გათბობას ტემპერატურის ასამაღლებლად და მაღალი წნევის წარმოქმნის მიზნით, რაც დგუშს მოძრაობს სასარგებლო სამუშაოს უზრუნველსაყოფად.

ამის შემდეგ დგუში მაღლა იწევს და გაზს მეორე ცილინდრში უბიძგებს, სადაც იგი ცივდება რეზერვუარი კვლავ შეკუმშვამდე, რაც მოითხოვს ნაკლებ მუშაობას ვიდრე წინა იყო წარმოებული ეტაპი დაბოლოს, გაზი დაუბრუნდნენ თავდაპირველ პალატას, სადაც იმეორებს სტერლინგის ძრავის ციკლს.

სითბოს ძრავის ეფექტურობა არის სასარგებლო მუშაობის შეფარდება სითბოს ან თერმული ენერგიის შეყვანასთან და შედეგი ყოველთვის არის მნიშვნელობა 0-სა და 1-ს შორის, ერთეულების გარეშე, რადგან სითბოს ენერგიაც და მუშაობის გამომუშავებაც იზომება ჯოული ეს ნიშნავს, რომ თუ გქონდასრულყოფილისითბოს ძრავა, მას ექნება 1 ეფექტურობა და სითბოს ენერგიას გადააქცევს გამოსაყენებელ სამუშაოებად და თუ მოახერხა მისი ნახევრის გადაკეთება, ეფექტურობა 0,5 იქნება. ძირითადი ფორმით, ფორმულა შეიძლება იყოს დაწერილი:

რა თქმა უნდა, შეუძლებელია სითბოს ძრავას 1 ეფექტურობა ჰქონდეს, რადგან თერმოდინამიკის მეორე კანონი გვკარნახობს, რომ ნებისმიერი დახურული სისტემა დროთა განმავლობაში ენტროპიას გაზრდის. მიუხედავად იმისა, რომ არსებობს ენტროპიის ზუსტი მათემატიკური განმარტება, რომლის გამოყენებაც შეგიძლიათ ამის გასაგებად, ყველაზე მარტივი გზაა ვიფიქროთ ამაზე, რომ ნებისმიერი პროცესის თანდაყოლილი არაეფექტურობა იწვევს ენერგიის გარკვეულ დაკარგვას, როგორც წესი, ნარჩენების სახით სიცხე მაგალითად, ძრავის დგუშს უეჭველად ექნება გარკვეული ხახუნის მოქმედება მის მოძრაობასთან, რაც ნიშნავს, რომ სისტემა დაკარგავს ენერგიას სითბოს მუშაობაში გადაქცევის პროცესში.

სითბოს ძრავის თეორიულ მაქსიმალურ ეფექტურობას კარნოს ეფექტურობას უწოდებენ. ამის განტოლება უკავშირდება ცხელი წყალსაცავის ტემპერატურასთ​_ჰ და ცივი წყალსაცავით​_გ ეფექტურობამდე (η) ძრავა.

ამის შედეგი შეგიძლიათ გაამრავლოთ 100-ზე, თუ პასუხის გამოხატვა პროცენტულად გსურთ. მნიშვნელოვანია გვახსოვდეს, რომ ეს არისთეორიულიმაქსიმალური - ნაკლებად სავარაუდოა, რომ რაიმე რეალურ ძრავას ნამდვილად მიუახლოვდეს Carnot ეფექტურობას პრაქტიკაში.

მთავარია აღინიშნოს, რომ მაქსიმალურად გაზრდით სითბოს ძრავების ეფექტურობას ტემპერატურის სხვაობის გაზრდით ცხელ წყალსატევსა და ცივ წყალსაცავს შორის. საავტომობილო ძრავისთვის,თ​_ჰ არის აირების ტემპერატურა ძრავის შიგნით, როდესაც იწვის დათ​_გ არის ტემპერატურა, რომელზეც ისინი ძრავისგან გამოდიან.

ორთქლის ძრავა და ორთქლის ტურბინები სითბოს ძრავის ორი ყველაზე ცნობილი მაგალითია და ორთქლის ძრავის გამოგონება მნიშვნელოვანი ისტორიული მოვლენა იყო ინდუსტრიალიზაციის პროცესში საზოგადოება. ორთქლის ძრავა მუშაობს ისევე, როგორც აქამდე განხილულ სხვა სითბურ ძრავებზე: ქვაბი წყალს აქცევს ორთქლში, რომელიც იგზავნება დგუშის შემცველ ცილინდრში და ორთქლის მაღალი წნევა მოძრაობს ცილინდრი.

ორთქლი სითბოს გარკვეულ ნაწილს ცილინდრში გადასცემს, პროცესში უფრო გრილდება, შემდეგ კი, როდესაც დგუში სრულად გამოიძვრება, დარჩენილი ორთქლი ცილინდრიდან გამოდის. ამ დროს დგუში უბრუნდება თავდაპირველ პოზიციას (ზოგჯერ ორთქლი სხვისკენ მიედინება დგუშის მხარე, ასე რომ მას შეუძლია უკანაც დააბიროს) და თერმოდინამიკური ციკლი თავიდან იწყება უფრო მეტი ორთქლით.

ეს შედარებით მარტივი დიზაინი საშუალებას იძლევა დიდი რაოდენობით სასარგებლო სამუშაოები წარმოიქმნას ნებისმიერი წყლისგან, რომელსაც შეუძლია მდუღარე წყალი. ამ დიზაინის მქონე სითბოს ძრავის ეფექტურობა დამოკიდებულია ორთქლისა და მიმდებარე ჰაერის ტემპერატურაზე სხვაობაზე. ორთქლის ლოკომოტივი იყენებს ამ პროცესის შედეგად შექმნილ ნამუშევარს ბორბლების დასაბრუნებლად და მატარებლის გასაქანად.

ორთქლის ტურბინა მუშაობს ძალიან ანალოგიურად, გარდა იმისა, რომ დგუშის გადაადგილების ნაცვლად, ტურბინის გადაქცევა ხდება. ეს განსაკუთრებით სასარგებლო გზაა ელექტროენერგიის წარმოსაქმნელად ორთქლის მიერ წარმოქმნილი ბრუნვითი მოძრაობის გამო.

შიდა წვის ძრავა მუშაობს ზემოთ აღწერილ ოტოს ციკლზე დაყრდნობით, ბენზინის ძრავებისთვის გამოიყენება ნაპერწკალი ანთება და დიზელის ძრავებისთვის გამოიყენება კომპრესიული ანთება. მათ შორის მთავარი განსხვავებაა საწვავის საჰაერო ნარევის ანთების გზა, საწვავისა და ჰაერის ნარევის შეკუმშვა და შემდეგ ფიზიკურად ანთებულია ბენზინის ძრავებში და დიზელის ძრავებში ხდება საწვავის შესხურება კომპრესირებულ ჰაერში, რის შედეგადაც ხდება მისი ანთება ტემპერატურა

ამას გარდა, ოტოს ციკლის დანარჩენი ნაწილი დასრულებულია, როგორც ეს ადრე იყო აღწერილი: საწვავი ძრავაში ხვდება (ან უბრალოდ ჰაერი დიზელი), შეკუმშული, ანთებული (საწვავის ნაპერწკალით და დიზელის ცხელ, შეკუმშულ ჰაერში საწვავის შესხურებით), რომელიც გამოსაყენებელ სამუშაოებს ასრულებს დგუშზე ადიაბატური გაფართოების გზით, შემდეგ კი გამონაბოლქვი სარქველი იხსნება წნევის შესამცირებლად და დგუში აძევებს გამოიყენა გაზი.

გათბობის ტუმბოები, კონდიციონერები და მაცივრები ასევე მუშაობენ სითბოს ციკლის ფორმაზე, თუმცა მათ განსხვავებული მიზანი აქვთ გამოიყენონ სამუშაო სითბოს ენერგიის გადასაადგილებლად და არა პირიქით. მაგალითად, სითბოს ტუმბოს გათბობის ციკლში გამაგრილებელი შთანთქავს გარე ჰაერს სითბოს მისი დაბალი ტემპერატურის გამო (რადგან სითბოყოველთვისმიედინება ცხელიდან ცივზე), შემდეგ კი კომპრესორის მეშვეობით იძვრება მისი წნევის და შესაბამისად ტემპერატურის ასამაღლებლად

შემდეგ ეს უფრო ცხელი ჰაერი გადადის კონდენსატორში, ოთახის გასათბობად, სადაც იგივე პროცესი სითბოს გადასცემს ოთახს. დაბოლოს, მაცივარი გადადის სარქველში, რომელიც ამცირებს წნევას და შესაბამისად ტემპერატურას, მზად არის კიდევ ერთი გათბობის ციკლისთვის.

გაგრილების ციკლში (როგორც კონდიცირების განყოფილებაში ან მაცივარში) ეს პროცესი საპირისპიროდ მიდის. მაცივარი შთანთქავს სითბოს ენერგიას ოთახიდან (ან მაცივრის შიგნით), რადგან იგი ინახება ა ცივი ტემპერატურა, შემდეგ კი იგი კომპრესორის საშუალებით იწევს წნევის გასაზრდელად და ტემპერატურა

ამ ეტაპზე, ის მოძრაობს ოთახის გარედან (ან მაცივრის უკანა მხარეს), სადაც სითბოს ენერგია გადადის გამაგრილებელ ჰაერის გარეთ (ან მის მიმდებარე ოთახში). შემდეგ გამაგრილებელს აგზავნიან სარქვლის გავლით, რათა შეამციროს წნევა და ტემპერატურა, კითხულობს სხვა გათბობის ციკლს.

ვინაიდან ამ პროცესების მიზანი ძრავის მაგალითების საპირისპიროა, სითბოს ტუმბოს ან მაცივრის ეფექტურობის გამოხატვა ასევე განსხვავებულია. ეს ფორმა საკმაოდ პროგნოზირებადია. გათბობისთვის:

და გაგრილებისთვის:

Სად არისQტერმინები არის სითბოს ენერგია ოთახში გადატანილი (H გამოწერით) და გადაადგილებული იქიდან (C გამოწერით) დავ​_წელს არის სისტემაში ელექტროენერგიის სახით შეტანილი სამუშაო. ისევ და ისევ, ეს მნიშვნელობა არის განზომილებიანი რიცხვი 0-სა და 1-ს შორის, მაგრამ შეგიძლია შედეგი გაამრავლო 100-ზე, რომ პროცენტული მაჩვენებელი მიიღო, თუ გირჩევნია.

ელექტროსადგურები ან ელექტროსადგურები მხოლოდ სითბური ძრავის კიდევ ერთი ფორმაა, ისინი ქმნიან სითბოს ბირთვული რეაქტორის გამოყენებით ან საწვავის დაწვით. სითბოს წყარო გამოიყენება ტურბინების გადასაადგილებლად და ამით მექანიკური სამუშაოს შესასრულებლად, ხშირად იყენებენ ორთქლს მწვავე წყლისგან ორთქლის ტურბინის დასატრიალებლად, რომელიც წარმოქმნის ელექტროენერგიას ზემოთ აღწერილი გზით. გამოყენებული ზუსტი სითბოს ციკლი შეიძლება განსხვავდებოდეს ელექტროსადგურებს შორის, მაგრამ ჩვეულებრივ გამოიყენება რანკინის ციკლი.

რანკინის ციკლი იწყება სითბოს წყაროს მიერ წყლის ტემპერატურის ამაღლებით, შემდეგ წყლის ორთქლის გაფართოებით ა ტურბინა, რასაც მოჰყვება კონდენსატორი კონდენსატორში (ნარჩენების სითბოს გამოყოფა პროცესში), სანამ გაცივებული წყალი მივა ტუმბო ტუმბო ზრდის წყლის წნევას და ამზადებს მას შემდგომი გათბობისთვის.