برای دانلود تست از ماشین های گرمایی اینجا کلیک کنید

ماشین‌های گرمایی در ترمودینامیک – فیزیک دهم

ماشین گرمایی وسیله‌ای است که گرما را به کار مکانیکی تبدیل می‌کند. این ماشین‌ها از اصول ترمودینامیک پیروی می‌کنند و در زندگی روزمره و صنعت کاربردهای فراوانی دارند. در این جزوه به بررسی کامل ماشین‌های گرمایی، بازده، چرخه‌های مربوطه و مثال‌های عملی می‌پردازیم.

ماشین گرمایی چیست؟

ماشین گرمایی دستگاهي است که با گرفتن گرما از یک منبع گرم و تبدیل بخشی از آن به کار مکانیکی، بخش باقی‌مانده را به منبع سرد می‌دهد.

اجزای اصلی ماشین گرمایی

اصل کار ماشین گرمایی

گرما از منبع گرم گرفته می‌شود
بخشی از گرما به کار تبدیل می‌شود
بخش باقی‌مانده به منبع سرد داده می‌شود

قانون دوم ترمودینامیک

بیان کلوین-پلانک: هیچ ماشین گرمایی نمی‌تواند تمام گرمای دریافتی را به کار تبدیل کند.

نتیجه: بازده همیشه کمتر از ۱ (۱۰۰٪) است.

فصل دوم: فرمول‌های اساسی ماشین گرمایی

رابطه اصلی

W = Q_hot - Q_cold

که در آن:

• W: کار مفید خروجی (J)

• Q_hot: گرمای گرفته شده از منبع گرم (J)

• Q_cold: گرمای داده شده به منبع سرد (J)

بازده ماشین گرمایی

η = W / Q_hot

یا:

η = (Q_hot - Q_cold) / Q_hot

یا:

η = 1 - (Q_cold / Q_hot)

بازده درصدی

η% = η × 100

نکته مهم

بازده همیشه کمتر از ۱ است، چون Q_cold هرگز صفر نمی‌شود.

 نمودار انرژی ماشین گرمایی

نمودار جریان انرژی

        منبع گرم (T_hot)
              |
              | Q_hot
              ↓
        ┌─────────────┐
        │   ماشین    │ ────→ W (کار مفید)
        │   گرمایی   │
        └─────────────┘
              |
              | Q_cold
              ↓
        منبع سرد (T_cold)

معادله انرژی

Q_hot = W + Q_cold

تفسیر: گرمای ورودی = کار مفید + گرمای تلف شده

چرخه کارنو (ماشین گرمایی ایده‌آل)

چرخه کارنو چیست؟

چرخه‌ای ایده‌آل شامل دو فرآیند هم‌دما و دو فرآیند بی‌دررو که بیشترین بازده ممکن را دارد.

مراحل چرخه کارنو

1. انبساط هم‌دما در دمای T_hot (جذب Q_hot)

2. انبساط بی‌دررو (کاهش دما از T_hot به T_cold)

3. تراکم هم‌دما در دمای T_cold (دفع Q_cold)

4. تراکم بی‌دررو (افزایش دما از T_cold به T_hot)

بازده چرخه کارنو

η = 1 - (T_cold / T_hot)

که در آن دماها بر حسب کلوین هستند.

نکات مهم چرخه کارنو

• بیشترین بازده ممکن برای یک ماشین گرمایی

• بازده فقط به دماهای منبع گرم و سرد بستگی دارد

• بازده ۱۰۰٪ فقط در T_cold = ۰ K ممکن است (غیرقابل دسترس)

• هیچ ماشین واقعی نمی‌تواند بازدهی بیشتر از کارنو داشته باشد

مثال محاسبه بازده کارنو

اگر T_hot = ۵۰۰ K و T_cold = ۳۰۰ K باشد:

η = 1 - (300/500) = 1 - 0.6 = 0.4 = 40%

رابطه بازده کارنو و گرمای مبادله شده

رابطه دما و گرما در چرخه کارنو

Q_cold / Q_hot = T_cold / T_hot

نتیجه:

η = 1 - (Q_cold / Q_hot) = 1 - (T_cold / T_hot)

کار در چرخه کارنو

W = Q_hot - Q_cold

یا:

W = Q_hot × (1 - T_cold/T_hot)

فماشین بخار (چرخه رانکین)

ماشین بخار چیست؟

ماشینی که از بخار آب برای تولید کار استفاده می‌کند. در نیروگاه‌های برق کاربرد دارد.

مراحل چرخه رانکین

1. پمپاژ آب به دیگ بخار (افزایش فشار)

2. گرم کردن در دیگ (تبدیل به بخار)

3. انبساط در توربین (تولید کار)

4. میعان در کندانسور (تبدیل به آب)

بازده چرخه رانکین

η = W_net / Q_in

که در آن:

W_net = W_turbine - W_pump

کاربردها

• نیروگاه‌های حرارتی

• نیروگاه‌های هسته‌ای

• لوکوموتیوهای بخار (قدیمی)

موتور بنزینی (چرخه اتو)

چرخه اتو چیست؟

چرخه‌ای که در موتورهای بنزینی استفاده می‌شود.

مراحل چرخه اتو

1. تراکم بی‌دررو (تراکم مخلوط سوخت و هوا)

2. افزایش فشار هم‌حجم (احتراق)

3. انبساط بی‌دررو (کار انجام می‌شود)

4. کاهش فشار هم‌حجم (خروج گازها)

بازده چرخه اتو

η = 1 - (1 / r^(γ-1))

که در آن:

r = V₁/V₂ (نسبت تراکم)
γ = Cp/Cv

نکات چرخه اتو

• بازده با افزایش نسبت تراکم افزایش می‌یابد

• محدودیت: نسبت تراکم بالا باعث خودسوزی می‌شود

• بازده معمولی: ۲۵٪ تا ۳۵٪

 موتور دیزل (چرخه دیزل)

چرخه دیزل چیست؟

چرخه‌ای که در موتورهای دیزل استفاده می‌شود.

مراحل چرخه دیزل

1. تراکم بی‌دررو (تراکم هوا)

2. افزایش فشار هم‌فشار (پاشش سوخت و احتراق)

3. انبساط بی‌دررو (کار انجام می‌شود)

4. کاهش فشار هم‌حجم (خروج گازها)

بازده چرخه دیزل

η = 1 - (1/r^(γ-1)) × [(ρ^γ - 1) / (γ(ρ - 1))]

که در آن:

r = V₁/V₂ (نسبت تراکم)
ρ = V₃/V₂ (نسبت قطع)

تفاوت اتو و دیزل

 یخچال و پمپ حرارتی

یخچال چیست؟

دستگاهی که گرما را از محیط سرد به محیط گرم منتقل می‌کند (برعکس ماشین گرمایی).

مراحل چرخه تبرید

1. تبخیر مایع (جذب گرما از محیط سرد)

2. تراکم بخار (افزایش فشار و دما)

3. میعان (دفع گرما به محیط گرم)

4. انبساط (کاهش فشار)

ضریب عملکرد (COP)

برای یخچال:

COP = Q_cold / W

برای پمپ حرارتی:

COP = Q_hot / W

رابطه COP یخچال و پمپ حرارتی

COP_پمپ = COP_یخچال + 1

نکته مهم

COP می‌تواند بزرگ‌تر از ۱ باشد (برخلاف بازده).

مقایسه ماشین گرمایی و یخچال

فصل یازدهم: مسائل حل شده

مسئله ۱ (بازده ماشین گرمایی)

ماشین گرمایی در هر چرخه ۸۰۰ ژول گرما از منبع گرم می‌گیرد و ۶۰۰ ژول به منبع سرد می‌دهد. بازده آن چقدر است؟

حل:

W = Q_hot - Q_cold = 800 - 600 = 200 J
η = W / Q_hot = 200 / 800 = 0.25 = 25%

مسئله ۲ (بازده کارنو)

ماشین گرمایی بین دماهای ۶۰۰ K و ۳۰۰ K کار می‌کند. حداکثر بازده آن چقدر است؟

حل:

η = 1 - (T_cold / T_hot)
η = 1 - (300/600) = 0.5 = 50%

مسئله ۳ (محاسبه کار)

ماشین گرمایی با بازده ۴۰٪ در هر چرخه ۱۰۰۰ ژول گرما جذب می‌کند. کار خروجی و گرمای دفع شده چقدر است؟

حل:

W = η × Q_hot = 0.4 × 1000 = 400 J
Q_cold = Q_hot - W = 1000 - 400 = 600 J

مسئله ۴ (محاسبه گرمای ورودی)

ماشین گرمایی با بازده ۳۰٪ کار مفید ۹۰۰ ژول تولید می‌کند. گرمای ورودی و گرمای تلف شده چقدر است؟

حل:

Q_hot = W / η = 900 / 0.3 = 3000 J
Q_cold = Q_hot - W = 3000 - 900 = 2100 J

مسئله ۵ (یخچال)

یخچالی با COP = ۵ کار می‌کند. اگر ۴۰۰ ژول کار مصرف کند، چه مقدار گرما از محیط سرد جذب می‌کند و چه مقدار به محیط گرم می‌دهد؟

حل:

COP = Q_cold / W
5 = Q_cold / 400
Q_cold = 2000 J

Q_hot = Q_cold + W = 2000 + 400 = 2400 J

مسئله ۶ (بازده اتو)

در چرخه اتو با نسبت تراکم ۱۰ و گاز دواتمی (γ = ۱.۴)، بازده چقدر است؟

حل:

η = 1 - (1 / r^(γ-1))
η = 1 - (1 / 10^0.4)
η = 1 - (1 / 2.512)
η = 1 - 0.398 = 0.602 = 60.2%

مسئله ۷ (مقایسه بازده)

ماشین A با بازده ۳۵٪ و ماشین B با بازده ۴۵٪ کار می‌کنند. اگر هر دو ۲۰۰۰ ژول گرما جذب کنند، کار خروجی هر کدام چقدر است؟

حل:

ماشین A:
W_A = 0.35 × 2000 = 700 J

ماشین B:
W_B = 0.45 × 2000 = 900 J

اختلاف:
ΔW = 900 - 700 = 200 J

مسئله ۸ (چرخه کارنو کامل)

ماشین کارنو در دمای منبع گرم ۸۰۰ K و منبع سرد ۴۰۰ K کار می‌کند. اگر در هر چرخه ۲۰۰۰ ژول گرما جذب کند:
الف) بازده چقدر است؟
ب) کار خروجی چقدر است؟
ج) گرمای دفع شده چقدر است؟

حل:

الف) η = 1 - (400/800) = 1 - 0.5 = 0.5 = 50%

ب) W = η × Q_hot = 0.5 × 2000 = 1000 J

ج) Q_cold = Q_hot - W = 2000 - 1000 = 1000 J

مسئله ۹ (پمپ حرارتی)

پمپ حرارتی با COP = ۳ کار می‌کند. اگر ۵۰۰ ژول کار مصرف کند، چه مقدار گرما به محیط گرم می‌دهد؟

حل:

COP_پمپ = Q_hot / W
3 = Q_hot / 500
Q_hot = 1500 J

مسئله ۱۰ (محاسبه دما)

ماشین کارنو با بازده ۶۰٪ کار می‌کند. اگر دمای منبع سرد ۳۰۰ K باشد، دمای منبع گرم چقدر است؟

حل:

η = 1 - (T_cold / T_hot)
0.6 = 1 - (300 / T_hot)
300 / T_hot = 0.4
T_hot = 300 / 0.4 = 750 K

نمودارهای ماشین گرمایی

نمودار جریان انرژی

    ┌──────────────┐
    │  منبع گرم    │
    │   (T_hot)    │
    └──────┬───────┘
           │ Q_hot
           ↓
    ┌──────────────┐
    │   ماشین     │ ────→ W
    │   گرمایی    │
    └──────┬───────┘
           │ Q_cold
           ↓
    ┌──────────────┐
    │  منبع سرد    │
    │   (T_cold)   │
    └──────────────┘

نمودار P-V چرخه کارنو

P
│
│    ╱╲
│   ╱  ╲
│  ╱    ╲
│ ╱      ╲
│╱        ╲
└──────────────→ V

• دو منحنی هذلولی (ایزوترم)

• دو منحنی شیب‌دار (آدیاباتیک)

نکات مهم کنکوری

1. بازده ماشین گرمایی: η = W/Q_hot = 1 - Q_cold/Q_hot

2. بازده کارنو: η = 1 - T_cold/T_hot (دماها بر حسب کلوین)

3. رابطه کارنو: Q_cold/Q_hot = T_cold/T_hot

4. بازده همیشه کمتر از ۱ است

5. COP یخچال می‌تواند بزرگ‌تر از ۱ باشد

6. قانون دوم: تبدیل کامل گرما به کار غیرممکن است

7. بیشترین بازده: مربوط به چرخه کارنو

8. در چرخه کامل: ΔU = ۰ و Q = W

9. نسبت تراکم بیشتر: بازده بیشتر (اتو و دیزل)

10. موتور دیزل: بازده بیشتر از بنزینی

11. COP پمپ حرارتی: COP_یخچال + 1

12. دما در فرمول کارنو: حتماً کلوین

13. بازده واقعی: همیشه کمتر از بازده کارنو

14. گرمای تلف شده: همیشه وجود دارد

15. ماشین گرمایی: گرما → کار

 فرمول‌های کلیدی

کاربردهای عملی

در زندگی روزمره

1. موتور خودرو: چرخه اتو یا دیزل

2. یخچال و فریزر: چرخه تبرید

3. کولر گازی: چرخه تبرید

4. نیروگاه برق: چرخه رانکین

5. موتور جت: چرخه برایتون

در صنعت

1. نیروگاه‌های حرارتی: تولید برق

2. نیروگاه‌های هسته‌ای: تولید بخار

3. پالایشگاه‌ها: فرآیندهای شیمیایی

4. سیستم‌های تهویه: چرخه تبرید

5. موتورهای دریایی: چرخه دیزل

محدودیت‌های ماشین گرمایی

محدودیت‌های تئوری

1. قانون دوم ترمودینامیک: بازده ۱۰۰٪ غیرممکن است

2. بازده کارنو: حد بالای بازده

3. دمای صفر مطلق: غیرقابل دسترس

محدودیت‌های عملی

1. اصطکاک: تلفات انرژی

2. رسانش گرما: تلفات حرارتی

3. مقاومت مواد: محدودیت دما

4. هزینه: اقتصادی بودن

راه‌های افزایش بازده

1. افزایش دمای منبع گرم

2. کاهش دمای منبع سرد

3. کاهش اصطکاک

4. استفاده از مواد بهتر

5. بهینه‌سازی چرخه

 آزمایش‌های ساده

آزمایش ۱: ماشین گرمایی ساده

• یک قوطی نوشابه را با آب پر کنید

• در آن را با یک نی ببندید

• قوطی را گرم کنید

• بخار از نی خارج می‌شود و کار انجام می‌دهد

آزمایش ۲: توربین بخار

• یک قوطی حلبی را با آب پر کنید

• در آن را سوراخ کنید

• قوطی را گرم کنید

• بخار از سوراخ خارج شده و قوطی می‌چرخد

آزمایش ۳: یخچال ساده

• دو ظرف آب (یکی گرم، یکی سرد)

• یک پارچه مرطوب بین آن‌ها قرار دهید

• گرما از سرد به گرم منتقل می‌شود (با کار)

تاریخچه ماشین‌های گرمایی

ماشین‌های اولیه

1. ماشین نیوکامن (۱۷۱۲): برای پمپاژ آب از معادن

2. ماشین وات (۱۷۶۹): بهبود ماشین نیوکامن

3. موتور اتو (۱۸۷۶): موتور بنزینی

4. موتور دیزل (۱۸۹۲): موتور گازوئیلی

توسعه ترمودینامیک

1. کارنو (۱۸۲۴): چرخه کارنو

2. کلاوزیوس: قانون دوم

3. کلوین: مقیاس دمای مطلق

4. بولتزمن: تفسیر آماری

ماشین‌های گرمایی از مهم‌ترین کاربردهای ترمودینامیک هستند که گرما را به کار مکانیکی تبدیل می‌کنند. با درک صحیح این ماشین‌ها و چرخه‌های مربوطه می‌توانیم بسیاری از پدیده‌های اطراف خود را توضیح دهیم و در طراحی سیستم‌های صنعتی از آن‌ها استفاده کنیم.

نکات کلیدی:

• ماشین گرمایی: گرما → کار

• بازده: η = W/Q_hot = 1 - Q_cold/Q_hot

• بازده کارنو: η = 1 - T_cold/T_hot

• بازده همیشه کمتر از ۱ است

• یخچال: کار → انتقال گرما از سرد به گرم

• COP می‌تواند بزرگ‌تر از ۱ باشد

• چرخه‌های معروف: کارنو، اتو، دیزل، رانکین، تبرید

• قانون دوم: تبدیل کامل گرما به کار غیرممکن است

این ماشینها با استفاده از برخى فرایندهاى ترمودینامیکى، گرماى حاصل از سوخت را به کار تبدیل مى کنند.(انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی تبدیل می­کنند) و ماشین های گرمایی در دو نوع درون سوز و برون سوز موجود می­باشند.

|QH| = |W| + |QL|                                                                            

 ماشین گرمایی درون‌سوز:  یا موتورهای احتراق داخلی به موتور‌هایی گفته می‌شود که در آن‌ها مخلوط سوخت و اکسیدکننده معمولاً هوا یا اکسیژن در داخل محفظه بسته‌ای واکنش داده و محترق می‌شوند. بر اثر احتراق گازهای داغ با دما و فشار بالا حاصل می‌شوند و بر اثر انبساط این گازها قطعات متحرک موتور به حرکت درآمده و کار انجام می‌دهند (مانند موتور بنزینی ماشینها و هواپیماو…)

 ماشین گرمایی  برون سوز : یا موتور برون سوز یا احتراق خارجی نوعی ماشین گرمایی می‌باشد که در آن سیال عامل داخلی توسط انرژی حاصل از احتراق یک سیال عامل دیگر گرم شده  و در طی یک چرخه ترمودینامیکی کار توسط سیال عامل داخلی انجام می‌گردد .انرژی حاصل از احتراق توسط مبدل حرارتی از سیال خارجی به سیال عامل داخلی منتقل می‌شود. (مانند موتور بخار وات ، توربین بخار و موتور استرلینگ.)

ماشینهای برونسوز انواع مختلفی دارند که ابتدایی ترین نوع آنها ماشین نیوکامن است که از
آن برای بیرون کشیدن آب از معادن استفاده میشد. انواع روزآمدتر این ماشینها ماشین استرلینگ
و ماشین بخار است. در ادامه به توضیح نمونه سادهای از ماشینهای بخار میپردازیم که توسط وات طراحی شد.

ماشین بخار وات : در ماشین بخار دستگاهى که چرخه را طى میکند، آب است. همانطور که در
شکل نشان داده شده است، آب در دیگ بخار مقدارى گرما دریافت می­کند و پس از انجام دادن
چند فرایند مختلف که به توضیح آنها مى پردازیم ، به حالت اولیه خود در دیگ بخار برمیگردد و این چرخه
دائماً تکرار مىشود؛ چون گرما توسط کوره، از بیرون، به آب داده میشود، ماشین بخار از نوع ماشینهای
برون سوز محسوب میشود. با باز شدن شیر A بخار حاصل از دیگ بخار با فشار وارد استوانه )سیلندر(
می شود و به این ترتیب، پیستون را به بالا میراند در حالی که شیر  Bبسته است. وقتی پیستون به بالای
استوانه میرسد شیر  Aبسته می شود و به این ترتیب، دیگ بخار مسدود میگردد. همزمان شیر  Bباز
میشود و بدین  ترتیب، بخار از استوانه خارج و وارد محفظه چگالنده میگردد. با ورود بخار به چگالنده،
پیستون پایین میآید و هنگامی که پیستون به پایینترین سطح خود میرسد، شیر  Bبسته و به طور همزمان
شیر  Aباز میشود و این مراحل دوباره تکرار میگردد. آب خنک کننده، چگالنده را همواره خنک
نگهمیدارد و بدین  ترتیب، بخاری که وارد محفظه چگالنده میگردد، به مایع تبدیل میگردد

توجه کنید که آب خنک کننده وارد چگالنده نمیشود، بلکه اطراف آن را خنک میسازد. مایع پس از خروج از چگالنده توسط یک پمپ (تلمبه) به دیگ بخار برگردانده میشود و این چرخه پیدرپی تکرار میشود.

تحلیل دقیق چرخه یک ماشین بخار دشوار است. اما با برخی سادهسازیها میتوان به تحلیل این ماشینها پرداخت و به چرخه ای آرمانی (موسوم به چرخه رانکین ) رسید. منظور  از چرخه آرمانی چرخه های است که فرایندهای آن ایستاوار و بدون اصطکاک و هرگونه اتلافی باشد.

همانطور که در ماشین بخار وات دیدیم دستگاه (آب) درهر چرخه با دو منبع گرمای دیگ بخار و چگالنده، تبادل گرما میکند و کار خالصی انجام میدهد. دیگ بخار را که در دمای بالاتری قرار دارد، منبع با دمای بالاتر و چگالنده را منبع با دمای پایینتر مینامند. گرمایی را که دستگاه از منبع با دمای بالاتر میگیرد با  ،QHو گرمایی را که دستگاه به منبع با دمای پایینتر میدهد با QLو کار خالص انجامشده توسط دستگاه در طی چرخه را با Wنمایش میدهیم

بررسی موتورهای درون سوز

موتور بیشتر خودروهای سواری، هواپیماها، برخی کشتیها، قطارها و مولدهای کوچک برق(ژنراتور) درون سوزند. ماشینهای گرمایی درون سوز انواع مختلفی دارند که دو نوع متداول آنها بنزینی و دیزلی نام دارند. در اینجا به توصیف ماشینهای بنزینی میپردازیم. ماشین درون سوز بنزینی: موتور ماشین بنزینی از یک یا چند استوانه

(سیلندر) تشکیل شده است که پیستونها داخل آنها حرکت میکنند. یکی از این  استوانهها و اجزای جانبی آن در شکل  زیر نشان داده شده است. در این نوع  موتور، بخشى از انرژى حاصل از سوخت، سبب حرکت پیستون مىشود. این حرکت از طریق دسته (شاتون) و میل لنگ به حرکت چرخشی تبدیل مىشود. با انتقال این حرکت چرخشی به چرخها، اتومبیل حرکت مىکند. بخش دیگر انرژى از طریق رادیاتور، که موتور را سرد مى  کند، و لوله خروجی (اگزوز) مستقیماً به هوا داده میشود.

ماشین بنزینی چرخهای را طی میکند که شامل شش فرایند است. از این شش فرایند، چهار فرایند همراه با حرکت پیستوناند که به آنها ضربه میگویند.

این فرایندها به طور طرح وار  زیر نشان داده شده است در بررسی هر یک از ماشینهای برو نسوز بخار و درو نسوز بنزینی برای ساده­سازی محاسبات،فراییند را  یک چرخه آرمانی فرض می کنیم  که فرایندها به طور ایستاوار انجام می­شوند.

شش فرایند ماشین بنزینی در فیزیک

مرحله 1: ضربه مکش  با پایین آمدن پیستون، مخلوط بنزین و هوا از طریق دریچه ورودى وارد استوانه

می­شود. همانطور که شکل  صفحه قبل نشان میدهد وقتی پیستون بالاست حجم فضای بالای آن  V₁و

وقتی پیستون پایین است حجم این فضا   V₂ = r V₁است ( r را نسبت تراکم یا نسبت انبساط میگویند.)

وقتی پیستون به پایین­ترین وضعیت خود رسید، سوپاپ دریچه ورودی بسته مىشود و مخلوط بنزین و

هوا داخل استوانه محبوس می­گردد. .(در واقع حجم محفظه از حداقل V به حداکثر rV میرسد)

مرحله2: ضربه  تراکم  پیستون بالا مى آید، مخلوط را متراکم می­کند و آن را به حجم  V₁میرساند.

این تراکم به سرعت رخ میدهد. بنابراین، میتوان آن را بی­دررو درنظر گرفت. در نتیجه، در پایان این

مرحله، دما و فشار مخلوط بسیار بالا رفته است.

مرحله 3:  آتش گرفتن: هنگامى که پیستون به بالاترین وضعیت خود رسید، شمع جرقه مىزند، مخلوط

آتش می­گیرد و دما و فشار آن در حجم ثابت V₁تا مقدار زیادى بالا مىرود؛ چون آتش گرفتن مخلوط

در داخل استوانه رخ میدهد و مخلوط از بیرون گرما نمیگیرد، این موتورها را درونسوز میگویند.

مرحله 4: ضربه قدرت(کار) در این مرحله در اثر فشار زیاد، مخلوط منبسط می­شودو  و حجم آن از  V₁به

V₂میرسد. این انبساط به سرعت رخ میدهد.(در واقع حجم محفظه از حداقل V به حداکثر rV میرسد)، بنابراین، میتوان آن را بی­دررو درنظر گرفت. درنتیجه در این انبساط، فشار و دمای مخلوط کاهش مییابد. در این مرحله مخلوط، پیستون را به شدت به پایین میراند و روی آن کار انجام میدهد. این کار توسط میل لنگ به اجزای دیگر ماشین منتقل میشود.

مرحله 5:  تخلیه درحالیکه پیستون در پایینترین وضعیت (حجم  )V₂ قرار دارد،  سوپاپ دریچه خروجی

باز می  شود و قسمتی از محصولات احتراق به صورت دود از دریچه خروجی خارج میشود، تا اینکه

فشار گاز داخل استوانه با فشار جو یکسان شود. در این مرحله پیستون ساکن است.

مرحله 6:  ضربه خروج گاز: پیستون بالا می  آید و بقیه محصولات احتراق را بیرون میراند و حجم

فضای بالای پیستون از  V₂به مقدار اولیه V₁میرسد

تست: نمودار p-v  یک ماشین گرمایی مطابق شکل روبروست،نسبت تراکم این ماشین کدام است؟

1)1                       2) 5                       3)25                            4) 30

نسبت تراکم (r)  به حاصل تقسیم بیشترین حجم به کمترین حجم گفته میشود

تست:  در کدام یک از مراحل  یک ماشین گرمایی بنزینی حجم سیلندر از حداقل V به حداکثر rV  افزایش می­یابد؟

1) مکش و انجام کار                  2)مکش و تخلیه             3)مکش و خروج کامل گاز            4) آتش گرفتن

پاسخ: الف

تست:  ماشینهای استرلینگ و نیوکامن و موتور بنزینی به ترتیب از راست به چپ از کدام نوع میباشند؟

1) درون سوز- درون­سوز- درون­سوز                2) برون سوز- برون­سوز- درون­سوز

3) برون سوز-برون­سوز- برون­سوز                   4) درون سوز – درون­سوز – برون­سوز

پاسخ: 2

بیشتر بخوانید:
الکتروسکوپ چیست؟

قانون کولن

میدان الکتریکی

کار میدان الکتریکی

   رابطه بازده در ماشینهای گرمایی

تحلیل دقیق چرخه یک ماشین بنزینی دشوار است. اما با بعضی ساده­سازیها میتوان به تحلیل این ماشینها پرداخت و به چرخه ای آرمانی (موسوم به چرخه اتو ) رسید.

در این ساده­سازیها میتوان دستگاه را گازی آرمانی درنظر  گرفت و بدین ترتیب، فرض کرد که گاز به جای مرحله آتش گرفتن، گرمای QHرا از محیط (منبع  با دمای بالا) دریافت می­کند، به جای مرحله تخلیه و خروج گاز، گرمای بهه محیط (منبع با دمای پایین)تحویل میدهد و سپس گاز سرد شده در فشار ثابت جو از استوانه خارج میشود و در طی این چرخه، کارخالص  Wرا روی محیط انجام میدهد

قبلا گفتیم که در طی این چرخه­های یک ماشین گرمایی همواره  مقداری گرما از یک منبع دما بالا  QH ،می­گیرد سپس مقداری کار انجام می شود  W و  مقداری گرما به یک منبع دمای پایین  QL   داده می شود(تلف میشود)

گرمایی که به چشمه‌ی سرد می‌دهد.      |QH |= |W| + |QL|  گرمایی که از چشمه‌ی گرم می‌گیرد.

کار انجام شده توسط ماشین

 حال بازده واقعی ماشین های گرمایی با بازده ماشین های آرمانی متفاوت است

بازده واقعی ماشین های درون سوز بنزینی در حدود ٢٥ تا ٣٠ درصد، بازده واقعی ماشین های درون سوز دیزلی در حدود ٤0 درصد و بازده ماشین های بخار نیز در حدود ٤٠ درصد است

|QH |= |W| + |QL|

بازده یک ماشین گرمایی را با حرف  (بخواندی اِتا) را نمایش می‌دهند و از فرمول زیر قابل محاسبه می‌باشد.

تست: بازده یک ماشین گرمایی که در هر چرخه  گرما به چشمه سرد می‌دهد، برابر 2/0 است. این ماشین در هر چرخه چند ژول گرما از چشمه گرم می‌گیرد؟

1) 1000                          2) 1600                          3) 2000                          4) 4000

گزینه‌ی 1

تست: بازده یک ماشین گرمایی 20% و در هر دقیقه  گرما به چشمه سرد می‌دهد. توان قابل استفاده این ماشین چند کیلووات است؟                                                                                                                                   

1) 1                                2) 4                                3) 6                                4) 10

گزینه‌ی 4

تست: مطابق طرح­واره­ی شکل زیر در یک موتور بنزینی تمام گرمای تلف شده از طریق اگزوز خارج شده و این گرما به یک ماشین گرمایی دیگر به عنوان  داده می­شود و، ماشین گرمایی دوم، تمام انرژی گرمایی خود را از انرژی تلف شده­ی ماشین گرمایی اول دریافت می­کند. اگر بازده موتور بنرینی (ماشین اول) 40 درصد باشد، بازده­ی ماشین دوم تقریبا چند درصد است؟

1) 5/50

2) 2/25

3) 30

4) 3/33

تا اینجا فهمیدیم که گرمایی که ماشین اول میده به محیط چه قدره! حالا همین گرما قراره بره به عنوان گرمای ورودی به ماشین دوم  یعنی     از طرفی توی شکل هم گفته که کار ماشین دوم برابر با یک پنجم گرمای ماشین اوله پس داریم:

تست: در ماشین گرمایی‌ای که بازده آن ۵۰٪ است، گرمایی که منبع دما بالا به گاز می‌دهد، ۶۴۰ ژول است و گرمای منبع دما پائین به عنوان گرمای منبع دما بالای ماشین مشابه دیگری مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر این روند تا ۵ مرحله (۵ ماشین گرمایی) ادامه پیدا کند، در چرخه کامل مجموعه این ماشین‌ها، در کل چند ژول کار انجام می‌شود؟ (بازده تمام ماشین‌ها برابر است)

1) 480                             2) 620                                3)1240                                   4)600

بازده 50 درصد است یعنی هر مرحله اون 640 تا نصف میشود یعنی 5 بار نصف میشود! و 5 بار نصف شدن یعنی

620=640-20

این ماشین از پی پی کره گرفته است!!!!!!!!!!

تست: یک ماشین گرمایی با بازده­ی 20 درصد در هر چرخه، مقدار J4000 گرما به محیط پس می­دهد. کار حاصل از این ماشین، پس از چند چرخه می­تواند جسمی به جرم kg50 را  از حال سکون از سطح زمین تا ارتفاع 1 متری از زمین بالا ببرد و با سرعت 10متر بر ثانیه پاشش کند؟ (از کلیه تلفات انرژی در حرکت جسم صرفنظر کنید)

( )

1) 1              2) 2                 3) 3            4) 4