ما هي عملية ثابت الحرارة؟

لبناء آلة الحرارية التي يمكنللقيام بهذا العمل بسبب استخدام الحرارة ، من الضروري إنشاء شروط معينة. بادئ ذي بدء ، يجب أن يعمل المحرك الحراري في وضع دوري ، حيث تنتج سلسلة من العمليات الديناميكية الحرارية المتتالية دورة. وكنتيجة للدورة ، ينفذ الغاز ، المغلق في اسطوانة ذات مكبس متحرك ، عمله. لكن دورة واحدة لآلة التشغيل بشكل دوري صغيرة ، يجب أن تقوم بإجراء دورات مراراً وتكراراً لفترة معينة. إن العمل الإجمالي الذي تم إنجازه في وقت معين في الواقع ، مقسومًا على الوقت ، يعطي مفهومًا أكثر أهمية - القوة.

في منتصف القرن التاسع عشر ، الحرارية الأولىالجهاز. أنتجوا عملاً ، لكنهم أنفقوا كمية كبيرة من الحرارة ، تم الحصول عليها عن طريق حرق الوقود. ثم طرح الفيزيائيون النظريون أسئلة: "كيف يعمل الغاز في محرك حراري؟ كيف يمكن الحصول على أقصى استفادة من العمل باستخدام الحد الأدنى من الوقود؟ "

لإجراء تحليل الغاز ، كان مطلوبًاتقديم نظام كامل من التعاريف والمفاهيم. مجموع كل التعاريف وخلق اتجاه علمي كامل ، تلقى اسم: "الديناميكا الحرارية التقنية". في الديناميكا الحرارية ، تم اعتماد عدد من الافتراضات ، والتي لا تنتقص على الإطلاق من الاستنتاجات الرئيسية. إن الجسم العامل عبارة عن غاز سريع الزوال (غير موجود في الطبيعة) ، يمكن ضغطه إلى حجم صفر ، ولا تتفاعل جزيئاته مع بعضها البعض. في الطبيعة المحيطة ، توجد فقط غازات حقيقية ، لها خصائص محددة تمامًا ، والتي يمكن تمييزها عن الغاز المثالي.

للنظر في نماذج ديناميات سائل العمل ، تم اقتراح قوانين الديناميكا الحرارية التي تصف العمليات الديناميكية الحرارية الأساسية ، مثل:

عملية isochoric هي عملية تتم دون تغيير حجم السائل العامل. حالة عملية isochoric ، v = const ؛
عملية isobar هي عملية تتم دون تغيير الضغط في جسم العمل. حالة العملية isobaric ، P = const ؛
عملية متساوي الحرارة (متساوية) هي عملية يتم تنفيذها مع الحفاظ على درجة الحرارة عند مستوى معين. حالة العملية المتساوية ، T = const ؛
عملية الحرارة الثابتة (adiabatic) ، كما يطلق عليها الهندسة الحرارية الحديثة ، هي عملية تتم في الفضاء دون تبادل الحرارة مع البيئة. حالة العملية الحرارية ، q = 0 ؛
عملية polytropic هي العملية الأكثر عمومية التي تصف جميع العمليات الديناميكية الحرارية المذكورة أعلاه ، وكذلك جميع العمليات الأخرى التي يمكن القيام بها في اسطوانة ذات مكبس متحرك.

أثناء إنشاء المحركات الحرارية الأولىدورة يمكن من خلالها الحصول على أعلى كفاءة (معامل الكفاءة). سادي كارنو ، يستكشف مجمل العمليات الديناميكية الحرارية ، في إلهامه جاء إلى تطوير دورته ، التي تلقت اسمه - دورة كارنوت. ينفذ باستمرار متساوي الحرارة ، ثم عملية ضغط ثابت الحرارة. لدى هيئة العمل ، بعد إجراء هذه العمليات ، احتياطي من الطاقة الداخلية ، لكن الدورة لم تكتمل بعد ، لذلك يتوسع جسم العمل ويؤدي عملية توسيع متساوي الحرارة. لإكمال الدورة والعودة إلى المعلمات الأصلية لجسم العمل ، يتم تنفيذ عملية التوسع الثابتة.

أثبت Carnot أن الكفاءة في دورته تصلالحد الأقصى ويعتمد فقط على درجات حرارة اثنين من isotherms. كلما زاد الفرق بينهما ، ارتفعت الكفاءة الحرارية على التوالي. محاولات إنشاء جهاز حراري في دورة Carnot لم تتوج بالنجاح. هذه دورة مثالية لا يمكن القيام بها. لكنه أثبت المبدأ الرئيسي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية حول استحالة الحصول على وظيفة مساوية لتكاليف الطاقة الحرارية. تمت صياغة عدد من التعريفات للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، على أساس الذي أدخل رودولف Clausius مفهوم الانتروبيا. الاستنتاج الرئيسي لأبحاثه هو أن الإنتروبيا تتزايد باستمرار ، مما يؤدي إلى "موت" حراري.

كان أهم إنجازات Clausiusفهم جوهر عملية ثابت الحرارة ، عندما يتم تنفيذ ذلك ، لا يغير الكون من السائل العمل. لذلك ، فإن عملية كلابيوس الثابتة هي s = const. هنا s هي الإنتروبيا ، التي تعطي اسمًا آخر لعملية تتم دون تزويد أو إزالة الحرارة ، وهي عملية متناظرة. كان العالم مشاركًا في البحث عن دورة كهذه لآلة حرارية ، حيث لن تحدث أي زيادة في الإنتروبيا. لكن للأسف لم يستطع خلق شيء كهذا. لذلك ، استنتج أنه لا يمكن إنشاء آلة حرارية على الإطلاق.

لكن لم يكن كل الباحثينالتشاؤم. كانوا يبحثون عن دورات حقيقية للآلات الحرارية. نتيجة للبحث ، قام نيكولاس أوغست أوتو بإنشاء دورة خاصة به من محرك حراري ، والذي يتم تحقيقه الآن في محركات البنزين. هنا ، يتم تنفيذ عملية الحرارة ثابتة من سائل العمل ومدخلات الحرارة isochoric (احتراق الوقود في حجم ثابت) ، ثم يظهر adiabat التوسع (يتم تنفيذ العمل من قبل هيئة العمل في عملية زيادة حجمها) وإزالة الحرارة isochoric. استخدمت أول محركات الاحتراق الداخلي في دورة أوتو الغازات القابلة للاحتراق كوقود. بعد ذلك بكثير ، اخترع carburettors ، والتي بدأت في خلق خليط من الهواء والبنزين من الهواء مع أبخرة البنزين وإطعامهم إلى اسطوانة المحرك.

تقوم دورة أوتو بضغط الخليط القابل للاحتراقتكون قيمة الضغط صغيرة نسبيًا - يميل الخليط القابل للاحتراق إلى الانفجار (ينفجر عندما يتم الوصول إلى الضغوط الحرجة ودرجات الحرارة). لذلك ، يكون العمل تحت عملية ضغط ثابت الحرارة صغيرًا نسبيًا. هنا تم تقديم مفهوم واحد: درجة الضغط هي نسبة الحجم الإجمالي إلى حجم الضغط.

البحث عن طرق لزيادة الكفاءةاستمر استخدام وقود الطاقة. لوحظ زيادة في الكفاءة في زيادة درجة الضغط. طور رودولف ديزل دورته ، والتي يتم فيها توريد الحرارة عند ضغط مستمر (في عملية isobar). شكلت دورة لها أساس لمحركات تستخدم وقود الديزل (يطلق عليه أيضا زيت الطاقة الشمسية). في دورة الديزل ، وليس الخليط القابل للاحتراق ولكن يتم ضغط الهواء. لذلك ، يقولون أن العمل يتم في عملية ثابت الحرارة. درجة الحرارة والضغط في نهاية الضغط عالية ، لذلك يتم حقن عن طريق الحقن من خلال الفتحات. يمزج مع الهواء الساخن ، ويشكل خليط قابل للاشتعال. يحترق ، في حين أن الطاقة الداخلية للسائل العمل يزيد. وعلاوة على ذلك ، يتم توسيع نطاق الغاز على طول adiabat ، يتم إجراء السكتة الدماغية العمل.

محاولة لتحقيق دورة الديزل الحراريةفشل آلات ، لذلك أنشأ غوستاف Trinkler دورة مجتمعة Trinkler. يتم استخدامه في محركات الديزل اليوم. في دورة Trinkler ، يتم توفير الحرارة من قبل isochore ، ومن ثم بواسطة isobar. فقط بعد ذلك ، يتم تنفيذ التوسع ثابت من وسط العمل.

قياسا على الآلات الحرارية التردديةالعمل والتوربين. ولكن فيهم يتم تنفيذ عملية إزالة الحرارة بعد الانتهاء من توسع ثابت ثابت من الغاز من قبل isobar. على الطائرات مع التوربينات الغازية والمحركات التوربينية ، تجري عملية الحرارة العادية مرتين: أثناء الضغط والتوسع.

لتبرير جميع المفاهيم الأساسيةعملية ثابت الحرارة ، تم اقتراح صيغ الحساب. هنا ، تظهر كمية مهمة ، والتي يطلق عليها اسم adiabatic. إن قيمتها لغاز ثنائي الذرة (الأكسجين والنيتروجين هي الغازات الثنائية النطاقية المتوفرة في الهواء) هي 1.4. لحساب مؤشر ثابت الحرارة ، يتم استخدام اثنين من خصائص أكثر إثارة للاهتمام ، وهما: القدرات الحرارية isobaric و isochoric للوسط العمل. نسبة ك = Cp / Cv - هو اسم ثابت.

لماذا في الدورات النظرية للآلات الحراريةيتم استخدام عملية ثابتة؟ في الواقع ، يتم تنفيذ العمليات المنجمية ، ولكن بسبب حقيقة أنها تحدث بسرعة عالية ، فمن المفترض بشكل عام أنه لا يوجد تبادل حراري مع البيئة.

يتم توليد 90 ٪ من الكهرباء عن طريق الحراريةمحطات توليد الطاقة. يستخدمون بخار الماء كسائل العمل. يتم الحصول عليها عن طريق الماء المغلي. لزيادة القدرة على العمل من البخار ، هو محموما. ثم ، عند الضغط العالي ، يتم تغذية البخار المحمص بالتوربينات البخارية. هنا أيضا ، تحدث عملية ثابتة لتوسيع البخار. يتلقى التوربين الدوران ، وينتقل إلى مولد كهربائي. هذا الأخير ، بدوره ، يولد الكهرباء للمستهلكين. تعمل التوربينات البخارية في دورة رانكين. من الناحية المثالية ، ترتبط زيادة في الكفاءة أيضًا بارتفاع درجة حرارة وضغط بخار الماء.

كما يتبين من ما سبق ، فإن عملية الحرارة العادية شائعة جدا في إنتاج الطاقات الميكانيكية والكهربائية.