Ili kuunda injini ya kuongeza joto ambayo inaweza kufanya kazi kwa kutumia joto, unahitaji kuunda hali fulani. Awali ya yote, injini ya joto lazima ifanye kazi katika hali ya mzunguko, ambapo mfululizo wa taratibu za mfululizo wa thermodynamic huunda mzunguko. Kama matokeo ya mzunguko, gesi iliyofungwa kwenye silinda na pistoni inayohamishika inafanya kazi. Lakini mzunguko mmoja hautoshi kwa mashine inayofanya kazi mara kwa mara; lazima ifanye mizunguko tena na tena kwa muda fulani. Jumla ya kazi iliyofanywa wakati fulani katika uhalisia, ikigawanywa na wakati, inatoa dhana nyingine muhimu - nguvu.
Katikati ya karne ya 19, injini za joto za kwanza ziliundwa. Walifanya kazi, lakini walitumia kiasi kikubwa cha joto kilichopatikana kutokana na mwako wa mafuta. Wakati huo ndipo wanafizikia wa kinadharia walijiuliza maswali: Je, gesi hufanya kazi katika injini ya joto? Jinsi ya kupata utendakazi wa juu ukitumia kiwango cha chini cha matumizi ya mafuta?”
Ili kufanya uchanganuzi wa kazi ya gesi, ilihitajika kuanzisha mfumo mzima wa ufafanuzi na dhana. Jumla ya ufafanuzi wote uliunda mwelekeo mzima wa kisayansi, ambao ulipokeakichwa: "Thermodynamics ya kiufundi". Katika thermodynamics, idadi ya mawazo yamefanywa ambayo kwa njia yoyote haizuii hitimisho kuu. Maji ya kazi ni gesi ya ephemeral (haipo katika asili), ambayo inaweza kushinikizwa hadi kiasi cha sifuri, molekuli ambazo haziingiliani na kila mmoja. Kwa asili, kuna gesi halisi pekee ambazo zina sifa zilizobainishwa vyema ambazo ni tofauti na gesi bora.
Ili kuzingatia mifano ya mienendo ya kiowevu kinachofanya kazi, sheria za thermodynamics zilipendekezwa, zikielezea michakato kuu ya thermodynamic, kama vile:
- mchakato wa isochoriki ni mchakato unaofanywa bila kubadilisha ujazo wa umajimaji unaofanya kazi. Hali ya mchakato wa Isochoric, v=const;
- mchakato wa isobaric ni mchakato ambao unafanywa bila kubadilisha shinikizo katika kimiminiko cha kufanya kazi. Hali ya mchakato wa Isobaric, P=const;
- isothermal (isothermal) ni mchakato unaofanywa wakati wa kudumisha halijoto katika kiwango fulani. Hali ya mchakato wa isothermal, T=const;
- mchakato wa adiabatic (adiabatic, kama wahandisi wa kisasa wa joto wanavyouita) ni mchakato unaofanywa angani bila kubadilishana joto na mazingira. Hali ya mchakato wa Adiabatic, q=0;
- mchakato wa politropiki - huu ndio mchakato wa jumla zaidi unaoelezea michakato yote ya hali ya hewa iliyo hapo juu, pamoja na mingine yote inayowezekana kutumbuiza kwenye silinda yenye bastola inayohamishika.
Mchakato wa
Wakati wa kuunda injini za joto za kwanza, walikuwa wakitafuta mzunguko ambao unaweza kupata ufanisi wa juu zaidi.(ufanisi). Sadi Carnot, akichunguza jumla ya michakato ya thermodynamic, kwa hiari alikuja kwa maendeleo ya mzunguko wake mwenyewe, ambao ulipokea jina lake - mzunguko wa Carnot. Inafanya sequentially isothermal, kisha mchakato wa compression adiabatic. Maji ya kazi baada ya kufanya taratibu hizi ina hifadhi ya nishati ya ndani, lakini mzunguko bado haujakamilika, hivyo maji ya kazi hupanua na kufanya mchakato wa upanuzi wa isothermal. Ili kukamilisha mzunguko na kurudi kwa vigezo asili vya kiowevu kinachofanya kazi, mchakato wa upanuzi wa adiabatic unafanywa.
Carnot alithibitisha kuwa ufanisi katika mzunguko wake hufikia kiwango cha juu na hutegemea tu halijoto ya isothermu mbili. Tofauti ya juu kati yao, ufanisi sawa wa joto. Majaribio ya kuunda injini ya joto kulingana na mzunguko wa Carnot haijafanikiwa. Huu ni mzunguko bora ambao hauwezi kutimizwa. Lakini alithibitisha kanuni kuu ya sheria ya pili ya thermodynamics kuhusu kutowezekana kwa kupata kazi sawa na gharama ya nishati ya joto. Idadi ya ufafanuzi iliundwa kwa sheria ya pili ya thermodynamics, kwa misingi ambayo Rudolf Clausius alianzisha dhana ya entropy. Hitimisho kuu la utafiti wake ni kwamba entropy inaongezeka mara kwa mara, ambayo husababisha "kifo" cha joto.
Mafanikio muhimu zaidi ya Clausius yalikuwa uelewa wa kiini cha mchakato wa adiabatic, wakati unafanywa, entropy ya maji ya kazi haibadilika. Kwa hivyo, kulingana na Clausius, mchakato wa adiabatic ni s=const. Hapa s ni entropy, ambayo inatoa jina lingine kwa mchakato uliofanywa bila ugavi au kuondolewa kwa joto, mchakato wa isentropic. Mwanasayansi alikuwa akitafutamzunguko kama huo wa injini ya joto ambapo hakutakuwa na ongezeko la entropy. Lakini, kwa bahati mbaya, alishindwa kufanya hivyo. Kwa hivyo, aligundua kuwa injini ya joto haiwezi kuundwa hata kidogo.
Lakini si watafiti wote waliokata tamaa sana. Walikuwa wakitafuta mizunguko halisi ya injini za joto. Kama matokeo ya utaftaji wao, Nikolaus August Otto aliunda mzunguko wake mwenyewe wa injini ya joto, ambayo sasa inatekelezwa katika injini za petroli. Hapa, mchakato wa adiabatic wa ukandamizaji wa maji ya kazi na usambazaji wa joto wa isochoric (mwako wa mafuta kwa kiasi cha mara kwa mara) hufanyika, kisha upanuzi wa adiabatic unaonekana (kazi inafanywa na maji ya kazi katika mchakato wa kuongeza kiasi chake) na isochoric. kuondolewa kwa joto. Injini za mwako za ndani za mzunguko wa Otto zilitumia gesi zinazoweza kuwaka kama mafuta. Muda mrefu baadaye, kabureta zilivumbuliwa, ambazo zilianza kuunda michanganyiko ya hewa ya petroli-hewa na mivuke ya petroli na kuisambaza kwa silinda ya injini.
Katika mzunguko wa Otto, mchanganyiko unaoweza kuwaka hubanwa, kwa hivyo mgandamizo wake ni mdogo kiasi - mchanganyiko unaoweza kuwaka huelekea kulipuka (hulipuka wakati shinikizo na halijoto muhimu zinapofikiwa). Kwa hiyo, kazi wakati wa mchakato wa ukandamizaji wa adiabatic ni kiasi kidogo. Dhana nyingine inaletwa hapa: uwiano wa mbano ni uwiano wa jumla ya ujazo na ujazo wa mfinyazo.
Utafutaji wa njia za kuongeza ufanisi wa nishati ya mafuta uliendelea. Kuongezeka kwa ufanisi kulionekana katika ongezeko la uwiano wa compression. Rudolf Diesel alianzisha mzunguko wake mwenyewe ambapo joto hutolewakwa shinikizo la mara kwa mara (katika mchakato wa isobaric). Mzunguko wake uliunda msingi wa injini zinazotumia mafuta ya dizeli (pia huitwa mafuta ya dizeli). Mzunguko wa Dizeli haukandamiza mchanganyiko unaowaka, lakini hewa. Kwa hiyo, kazi inasemekana kufanywa katika mchakato wa adiabatic. Joto na shinikizo mwishoni mwa compression ni ya juu, hivyo mafuta hudungwa kwa njia ya injectors. Inachanganya na hewa ya moto, huunda mchanganyiko unaowaka. Inachoma, wakati nishati ya ndani ya maji ya kazi huongezeka. Zaidi ya hayo, upanuzi wa gesi huenda pamoja na adiabatic, kiharusi cha kufanya kazi kinafanywa.
Jaribio la kutekeleza mzunguko wa Dizeli katika injini za joto halikufaulu, kwa hivyo Gustav Trinkler akaunda mzunguko wa Trinkler uliounganishwa. Inatumika katika injini za dizeli za kisasa. Katika mzunguko wa Trinkler, joto hutolewa kando ya isochore na kisha kando ya isobar. Ni baada ya hapo tu, mchakato wa adiabatic wa upanuzi wa kiowevu kinachofanya kazi unafanywa.
Kwa mlinganisho na injini za joto zinazorudiana, injini za turbine pia hufanya kazi. Lakini ndani yao, mchakato wa kuondolewa kwa joto baada ya kukamilika kwa upanuzi wa adiabatic muhimu wa gesi unafanywa kando ya isobar. Kwenye ndege yenye turbine ya gesi na injini za turboprop, mchakato wa adiabatic hutokea mara mbili: wakati wa mgandamizo na upanuzi.
Ili kuthibitisha dhana zote za kimsingi za mchakato wa adiabatic, fomula za kukokotoa zilipendekezwa. Kiasi muhimu kinaonekana hapa, kinachoitwa kipeo cha adiabatic. Thamani yake kwa gesi ya diatomiki (oksijeni na nitrojeni ndizo gesi kuu za diatomiki zilizopo hewani) ni 1.4.kielelezo cha adiabatic, sifa mbili za kuvutia zaidi hutumiwa, yaani: uwezo wa joto wa isobaric na isochoric wa maji ya kazi. Uwiano wao k=Cp/Cv ndio kipeo kikuu cha adiabatic.
Kwa nini mchakato wa adiabatic unatumika katika mizunguko ya kinadharia ya injini za joto? Kwa kweli, michakato ya polytropic hufanyika, lakini kutokana na ukweli kwamba hutokea kwa kasi ya juu, ni desturi kudhani kuwa hakuna kubadilishana joto na mazingira.
90% ya umeme huzalishwa na mitambo ya nishati ya joto. Wanatumia mvuke wa maji kama giligili inayofanya kazi. Inapatikana kwa maji ya moto. Ili kuongeza uwezo wa kufanya kazi wa mvuke, ina joto kali. Kisha mvuke yenye joto kali hulishwa kwa shinikizo la juu kwa turbine ya mvuke. Mchakato wa adiabatic wa upanuzi wa mvuke pia hufanyika hapa. Turbine hupokea mzunguko, huhamishiwa kwa jenereta ya umeme. Hiyo, kwa upande wake, inazalisha umeme kwa watumiaji. Mitambo ya mvuke hufanya kazi kwenye mzunguko wa Rankine. Kwa hakika, ongezeko la ufanisi pia linahusishwa na ongezeko la joto na shinikizo la mvuke wa maji.
Kama inavyoonekana kutoka hapo juu, mchakato wa adiabatic ni wa kawaida sana katika utengenezaji wa nishati ya mitambo na umeme.
