मशीनोंथर्मल ऊष्मीय ऊर्जा को में बदलने में सक्षम उपकरण हैं यांत्रिक कार्य. प्रत्येक थर्मल मशीन को के स्रोत की आवश्यकता होती है तपिश और एक कार्यशील पदार्थ जो इसके आयतन को संशोधित करने में सक्षम है और, परिणामस्वरूप, कुछ तंत्र, जैसे कि वाल्व या पिस्टन को स्थानांतरित करता है।
आप आंतरिक जलन ऊजाएं, जैसे आज की कार चलाने वाले, हैं थर्मल मशीनों के उदाहरण. वे उस गर्मी को अवशोषित करते हैं जो ईंधन और हवा के मिश्रण को जलाने से उत्पन्न होती है, जिसे समय-समय पर उनके सिलेंडरों में इंजेक्ट किया जाता है।
इस प्रकार, विस्फोट के दौरान जो ऊर्जा निकलती है, उसका कुछ भाग कार्य में परिवर्तित हो जाता है, जिसके द्वारा through पिस्टन आंदोलन - इंजन के चलने वाले हिस्सों में से एक, थर्मल ऊर्जा को ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए प्रयोग किया जाता है गतिकी।
थर्मल मशीनें कैसे काम करती हैं?
सभी थर्मल मशीनें a. के अनुसार काम करती हैं चक्रथर्मोडायनामिक, अर्थात्, थर्मोडायनामिक राज्यों के अनुक्रम जो खुद को दोहराते हैं। इन चक्रों में आयतन, दबाव और तापमान की अलग-अलग अवस्थाएँ होती हैं, जिन्हें आमतौर पर दबाव बनाम आयतन के ग्राफ़ द्वारा दर्शाया जाता है। थर्मोडायनामिक चक्रों को अधिक ऊर्जा दक्षता की तलाश में डिज़ाइन किया गया है, अर्थात बड़ी मात्रा में काम निकालने में सक्षम इंजनों का उत्पादन हमेशा मांगा जाता है।
किसी भी थर्मोडायनामिक चक्र में, यह संभव है ग्राफिक रूप से काम की गणना करें. इसलिए, ग्राफ के इंटीरियर के क्षेत्र की गणना करना आवश्यक है, जो कि जटिल हो सकता है यदि प्रश्न में चक्र का आकार अनियमित है। इसके अलावा, तीरों की दिशा, दक्षिणावर्त या वामावर्त, इंगित करती है कि प्रश्न में चक्र थर्मल मशीन या रेफ्रिजरेटर का चक्र है या नहीं। चेक आउट:
दक्षिणावर्त चक्र: यदि चक्र की दिशा दक्षिणावर्त है, तो चक्र ऊष्मा इंजन का है, जो ऊष्मा को अवशोषित करता है और कार्य उत्पन्न करता है।
वामावर्त चक्र: मामले में जहां एक चक्र की दिशा वामावर्त है, उसे यांत्रिक कार्य प्राप्त करने और गर्मी छोड़ने की आवश्यकता होती है, जैसा कि रेफ्रिजरेटर मोटर्स के मामले में होता है।
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प्रत्येक थर्मल मशीन का एक समान विन्यास होता है: इसमें a स्रोतमेंतपिश (गर्म स्रोत), जिससे यह अपने संचालन के लिए आवश्यक ऊर्जा निकालता है, और a सिंक (ठंडा स्रोत), जहां अवशोषित गर्मी का हिस्सा नष्ट हो जाता है। निम्नलिखित आरेख पर ध्यान दें:
के अनुसार ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम, थर्मल मशीनों को काम करने के लिए एक निश्चित मात्रा में गर्मी प्राप्त करने की आवश्यकता होती है। हालाँकि, ऊष्मा की उस मात्रा का केवल एक छोटा अंश, जो ऊर्जा का एक रूप है, हो सकता है उपयोगी कार्य में परिवर्तित.
इस सीमा के कारण अनिवार्य रूप से दो हैं: पहला एक ऐसी मशीन का उत्पादन करने की तकनीकी क्षमता से संबंधित है जो नष्ट नहीं होती है ऊर्जा - जो असंभव है - और दूसरा स्वयं प्रकृति की एक सीमा है: थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के अनुसार, कोई भी थर्मल मशीन नहीं कर सकती है वर्तमान ए मान जाना 100%। देखें कि ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम क्या कहता है, जिसे के रूप में जाना जाता है एन्ट्रापी कानूनकेल्विन के कथन के अनुसार:
"किसी भी प्रणाली के लिए, एक निश्चित तापमान पर, किसी स्रोत से गर्मी को अवशोषित करना और उसे बदलना संभव नहीं है पूरी तरह से यांत्रिक कार्य में, इस प्रणाली या इसके संशोधनों के बिना पड़ोस। ”
केल्विन का बयान चिंतित करता है परिवर्तनअविभाज्य यांत्रिक कार्य में गर्मी का, यह बताते हुए कि यह है असंभव सिस्टम में होने वाले "परिवर्तन" के बिना। यह परिवर्तन एन्ट्रापी के प्रभाव को संदर्भित करता है: किसी गर्म स्रोत से गर्मी निकालते समय, उस ऊर्जा में से कुछ ऊर्जा के कम उपयोगी रूपों में अवक्रमित हो जाती है। कई ऊर्जा क्षरण प्रक्रियाएं हैं: यांत्रिक भागों का कंपन, भागों और बीयरिंगों के बीच घर्षण, बाहरी वातावरण में गर्मी का प्रसार, श्रव्य शोर का उत्पादन, आदि।
यह भी देखें: थर्मल मशीनों के इतिहास के बारे में जानें
माइंड मैप: थर्मल मशीन
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थर्मल मशीनों का प्रदर्शन
किसी भी थर्मल मशीन की दक्षता की गणना उस यांत्रिक कार्य के अनुपात के रूप में की जा सकती है जो वह किसी गर्म स्रोत से अवशोषित होने वाली ऊष्मा की मात्रा से करता है:
η - प्रदर्शन
τ - यांत्रिक कार्य (जे - जूल या चूना - कैलोरी)
क्यूक्यू – गर्म स्रोत से गर्मी (जे - जूल या चूना - कैलोरी)
यांत्रिक कार्य, बदले में, गर्मी की मात्रा के बीच के अंतर से निर्धारित होता है "गर्म" और "ठंडा", इसलिए, हम इनके माध्यम से थर्मल मशीनों के प्रदर्शन को लिख सकते हैं मात्रा:
क्यूएफ - ठंडे स्रोत को दी गई गर्मी
यह निर्धारित करने की कोशिश करते हुए कि "संपूर्ण" थर्मोडायनामिक चक्र की विशेषताएं क्या होंगी, फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी सादीकार्नोट एक चक्र विकसित किया, जो कम से कम सैद्धांतिक रूप से प्रस्तुत करता है बड़ादक्षतासंभव के एक ही तापमान पर काम करने वाली थर्मल मशीन के लिए।
यह चक्र, जिसे के रूप में जाना जाता है कार्नोट चक्र, लोकप्रिय रूप से कहा जाता है कार्नाट मशीन, एक वास्तविक मशीन नहीं है, क्योंकि आज तक, तकनीकी और व्यावहारिक असंभवताओं ने ऐसी मशीन के निर्माण को रोका।
यह भी देखें:गुप्त ऊष्मा क्या है?
कार्नोट की प्रमेय
हे प्रमेयमेंकार्नोट, 1824 में प्रतिपादित, यह भी स्थापित करता है कि आदर्श थर्मल मशीन, जो बीच घर्षण के कारण ऊर्जा की किसी भी मात्रा को समाप्त नहीं करती है इसके चलते भागों की अधिकतम उपज सीमा होती है, जो इसके गर्म और ठंडे स्रोत के तापमान के बीच के अनुपात पर निर्भर करती है, जो. में दिया गया है केल्विन:
टीक्यू - गर्म स्रोत तापमान (के)
टीएफ - शीत स्रोत तापमान (के)
उपरोक्त सूत्र का विश्लेषण करते हुए, यह देखना संभव है कि आदर्श थर्मल मशीन का प्रदर्शन उसके गर्म और ठंडे स्रोतों के तापमान से विशेष रूप से निर्धारित होता है। इसके अलावा, इसकी उपज 100% होने के लिए, T के लिए यह आवश्यक होगाएफ शून्य था, यानी 0 K, परम शून्य का तापमान। हालांकि, के अनुसार ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम, ऐसा तापमान अप्राप्य है।
ऊपर दिखाया गया दक्षता सूत्र केवल थर्मल मशीनों के लिए मान्य है जो कार्नोट चक्र के अनुसार काम करते हैं। इसके अलावा, प्रमेय यह भी दर्शाता है कि तापमान का अनुपात Tएफ और टीक्यू ऊष्मा Q. की मात्राओं के अनुपात के बराबर हैएफ और क्यूक्यू:
यह भी देखें:थर्मल मशीन के प्रदर्शन के बारे में अधिक जानें
कार्नोट साइकिल
हे कार्नोट चक्र यह चार चरणों (या चार बीट्स) में होता है। यह चक्र दो. से बनता है रुद्धोष्म परिवर्तन यह दो है समतापी परिवर्तन. रुद्धोष्म परिवर्तन वे होते हैं जिनमें कोई ऊष्मा विनिमय नहीं होता है, जबकि समतापीय परिवर्तन वे होते हैं जिनमें कोई ऊष्मा विनिमय नहीं होता है। तापमान भिन्नता और, परिणामस्वरूप, ऊष्मा इंजन को स्थानांतरित करने के लिए जिम्मेदार कार्यशील पदार्थ की आंतरिक ऊर्जा बनी रहती है लगातार।
निम्नलिखित आंकड़ा कार्नोट चक्र और उसके चार चरणों का प्रतिनिधित्व करता है। चेक आउट:
मैं - इज़ोटेर्मल विस्तार: इस चरण में, काम करने वाला पदार्थ फैलता है, अपने निरंतर तापमान को बनाए रखता है, काम करता है, और गर्म स्रोत से गर्मी प्राप्त करता है।
II - रुद्धोष्म प्रसार: इस स्तर पर, काम करने वाला पदार्थ थोड़ा फैलता है और गर्मी प्राप्त किए बिना काम करता है।
III - इज़ोटेर्मल संकुचन: इस स्तर पर, गैस का आयतन कम हो जाता है, उसका दबाव बढ़ जाता है और उसका तापमान स्थिर रहता है, इसके अलावा, गैस ठंडे स्रोत से गर्मी खो देती है। इस स्तर पर, गैस पर काम किया जाता है।
IV - रुद्धोष्म संकुचन: गैस में दबाव में तेजी से वृद्धि होती है और मात्रा में थोड़ी कमी होती है, लेकिन यह प्रक्रिया के दौरान गर्मी का आदान-प्रदान नहीं करती है।
ओटो चक्र
ओटो चक्र कुछ काम करने वाले पदार्थ जैसे गैसोलीन या इथेनॉल द्वारा किए गए भौतिक परिवर्तनों का एक क्रम है। इस चक्र का व्यापक रूप से आंतरिक दहन इंजनों में उपयोग किया जाता है जो अधिकांश यात्री वाहनों को शक्ति प्रदान करते हैं। हालांकि यह व्यवहार में मौजूद नहीं है, ओटो चक्र को एक कार्नोट चक्र का अनुमान लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया था। नीचे दिया गया चित्र ओटो चक्र के चरणों को दर्शाता है।
मैं - प्रक्रिया 0-1: समदाब रेखीय प्रवेश: इस प्रक्रिया में, इंजन द्वारा निरंतर दबाव में हवा और गैसोलीन का मिश्रण स्वीकार किया जाता है;
द्वितीय - प्रक्रिया 1-2: रुद्धोष्म संपीडन - इस प्रक्रिया में, इंजन पिस्टन द्वारा लगाए जाने वाले दबाव में तेजी से वृद्धि होती है, जिससे हीट एक्सचेंज होने का समय नहीं होता है;
III - प्रक्रिया 2-3-4: स्थिर आयतन पर दहन (2-3) और रुद्धोष्म प्रसार (3-4) - एक छोटी सी चिंगारी हवा और गैसोलीन के मिश्रण में एक नियंत्रित विस्फोट पैदा करती है और फिर पिस्टन का इंजन तेजी से उतरता है, जिससे मात्रा में वृद्धि होती है और बड़ी मात्रा में उत्पादन होता है काम क;
IV - प्रक्रिया 4-1-0: समदाब रेखीय थकावट - एग्जॉस्ट वाल्व खुलते हैं और जलते हुए ईंधन से निकलने वाले धुएं को लगातार दबाव में इंजन से बाहर निकलने देते हैं।
ऊपर बताए गए चरणों को निम्नलिखित आकृति में दिखाया गया है, जो a के संचालन चरणों का प्रतिनिधित्व करता है फोर स्ट्रोक इंजन, गैसोलीन या अल्कोहल द्वारा संचालित। दिखाए गए प्रत्येक स्थिति में पिस्टन की गति वर्णित प्रक्रियाओं के बराबर है:
थर्मल मशीनों के उदाहरण
थर्मल मशीन के उदाहरण हैं:
आंतरिक दहन इंजन, जैसे कि शराब, गैसोलीन और डीजल द्वारा संचालित;
भाप इंजिन;
थर्मोइलेक्ट्रिक पावर प्लांट।
थर्मल मशीन और औद्योगिक क्रांति
थर्मल मशीनों ने समाज के तकनीकी विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। द्वारा सिद्ध करने के बाद जेम्सवाट, भाप से चलने वाली तापीय मशीनों ने औद्योगिक क्रांति को होने दिया, जिससे दुनिया पूरी तरह से बदल गई।
क्या आप इस विषय के बारे में अधिक जानना चाहेंगे? के बारे में हमारे पाठ तक पहुंचें औद्योगिक क्रांति.
रेफ्रिजरेटर
रेफ्रिजरेटर, या रेफ्रिजरेटिंग मशीन, उल्टे थर्मल मशीन हैं। इन उपकरणों में, इंजन के अंदर गैस के नीचे काम करना आवश्यक है ताकि यह आसपास से गर्मी को अवशोषित करके फैल सके। रेफ्रिजरेटर के उदाहरण हैं: रेफ्रिजरेटर, फ्रीजर और एयर कंडीशनिंग।
यदि आप इस बारे में अधिक जानना चाहते हैं कि इस प्रकार की मशीन कैसे काम करती है, तो हमारे पाठ के बारे में देखें रेफ्रिजरेटर के संचालन और गुण।
थर्मल मशीनों पर व्यायाम
अभ्यास 1) एक तापीय मशीन प्रत्येक चक्र के संचालन के एक गर्म स्रोत से 500 J ऊष्मा प्राप्त करती है। यदि यह मशीन अपने ठंडे सिंक में 350 J ऊष्मा का प्रसार करती है, तो इसकी ऊर्जा दक्षता प्रतिशत में क्या होगी?
ए) 42%
बी) 50%
ग) 30%
घ) ३५%
ई) 25%
खाका: पत्र सी
संकल्प:
व्यायाम एक चक्र के दौरान मशीन को संचालित करने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा प्रदान करता है, इसलिए हम क्यू से संबंधित सूत्र का उपयोग करके इसके प्रदर्शन को निर्धारित कर सकते हैं।क्यू और क्यूएफ, देखो:
ऊपर की गणना इंगित करती है कि प्रत्येक चक्र में मोटर को उपलब्ध तापीय ऊर्जा का केवल 30% यांत्रिक कार्य में परिवर्तित होता है।
व्यायाम 2) कार्नोट चक्र पर चलने वाली एक मशीन के गर्म और ठंडे स्रोत का तापमान क्रमशः 600 k और 400 k होता है। यह मशीन प्रत्येक चक्र में अपने न्यूनतम तापमान स्रोत तक 800 j ऊष्मा का प्रसार करती है। प्रत्येक चक्र में मशीन द्वारा अवशोषित गर्म गर्मी की मात्रा और प्रतिशत के रूप में इसकी दक्षता की गणना करें, फिर सही विकल्प को चिह्नित करें।
ए) ६७% और ३२० जे
बी) ३३% और १२०० जे
ग) ३३% और १९०० जे
घ) ६२% और १९०० जे
ई) 80% और 900 जे
खाका: अक्षर बी
संकल्प:
सबसे पहले, आइए प्रश्न में ताप इंजन की दक्षता की गणना करें। इसके लिए हम गर्म और ठंडे स्रोतों के तापमान का उपयोग करेंगे:
बयान में बताए गए तापमान मूल्यों का उपयोग करते हुए, हमें निम्नलिखित गणना को हल करना होगा:
प्रत्येक चक्र में मशीन द्वारा अवशोषित की जाने वाली ऊष्मा की मात्रा की गणना करना सरल है, बस कार्नोट के प्रमेय का उपयोग करें:
गणना को हल करने के लिए, बस ऊपर दिए गए सूत्र में व्यायाम डेटा को बदलें।
मेरे द्वारा राफेल हेलरब्रॉक
