تحقیق مقاله موتورگرمایی

موتورهای طبیعت                                                                                        

در قرن هجدهم مرد بزرگی به نام لزار کارنو در فرانسه زندگی می‌کرد. او پستهای مختلفی در دولت وقت فرانسه داشت. او انسان فوق‌العاده تأثیرگذاری بود. از او به عنوان مردی که پیروزی انقلاب فرانسه را سازمان‌دهی کرد یاد می‌شود. او همچنین یک دانشمند و مهندس بی‌نظیر بود که کارهای بزرگش حتی امروزه در خاطره‌ها وجود دارد. افتخارات خانوادگی آنها یک قرن بعد توسط سی دی کارنو که او نیز یک مهندس بود و بعدها ریاست جمهوری فرانسه را به عهده گرفت دنبال شد. وی از سال 1887 تا سال 1894 که ترور شد عهده‌دار این پست بود.

او که در دوره‌ای بین این دو عضو خانواده کارنوها زندگی می‌کرد، نیکلاس ون سی دی کارنو نام داشت، که او را سی دی صدا می‌کردند. وی علاقه زیادی به موتورهای بخار داشت. از مزارع سرسبز انگلستان تا مرزهای گسترده و وسیع ایالات متحده هیچ اختراعی همانند موتور بخار باعث گسترش و تمدن فرهنگ غرب نشد. بسیاری اختراع موتور را که با دود و سر و صدای زیادی همراه بود تهدیدی برای زندگی انسان می‌دانستند. اما این اختراع از بدو ورود توانست جای خود را باز کند. موتورهای بخار راه را برای ورود به عرصه صنعت باز کردند و تبدیل به موتور انقلاب صنعتی شدند. این موتورها در هر دو طرف اقیانوس اطلس مورد قبول واقع شدند. با طراحی‌های مختلف که توسط مهندسین انجام می‌شد، موتورهای بخار رؤیاهای بشر را به واقعیت تبدیل کردند. موتورهای بخار سرزمینهای مختلف را با هم مرتبط می‌کردند. با برقراری این ارتباط امکان پیشرفت نیز تسهیل می‌شد. موتورهای بخار نیروی لازم برای بریدن چوب و حرکت دادن پیستون‌ها و اهرم‌ها را تأمین می‌کردند. موتورهای بخار با امکان تهیه لبنیات و آرد غله در مقیاسهای بزرگ محصول بیشتری در دسترس کشاورزان قرار می‌دادند. گسترش استفاده از موتورهای بخار جایگزین نیروی انسانی گشت. قدرت موتورهای بخار انرژی حرکت و تغییر را به وجود می‌آورد. موتورهای بخار باعث صرفه‌جویی در زمان و نیروی بی‌کاری می‌شدند. هر مکانی سعی در بهره‌گیری از این اختراع داشت تا کار خود را با سرعت بیشتر و هزینه کمتر انجام دهد.

هر جایی که ریلهای آهنی کار گذاشته می‌شد، محصولات مختلفی که در سراسر کشور تولید می‌شدند در دسترس قرار می‌گرفت. به نظر می‌رسید موتورهای بخار هر جایی بروند آرزوهای بشر را نیز همراه خود خواهند برد.

لرد بایرن در این باره می‌گوید: موتورهای بخار بشر را به کره ماه خواهند برد. او چندان هم اشتباه نمی‌کرد. مسیری که موتورهای بخار درمی‌نوردیدند از ماه هم فراتر می‌رفت. این مسیر تا آنجا پیشرفت که سؤالاتی بنیادی درباره مفهوم زمان و سرنوشت نهایی جهان مطرح شد. جرقه آغاز این سفر در ذهن سی دی کارنو زده شد. کارنو که در سال 1796 متولد شد، ذهنیت خود درباره ریاضیات و مهندسی علوم نظامی را متأثر از پدر شکل داد. پدر وی لزا کارنو به دلیل داشتن مهارت فوق‌العاده در سازمان‌دهی و مهندسی از شهرت زیادی برخوردار بود و بعدها به قهرمان جنگهای فرانسه تبدیل شد. کارنو با تشویقهای پدر وارد دانشگاه پلی‌تکنیک ایکو شد. در دانشگاه کارنوی جوان به مطالعه موتورهای بخار و محدودیت آن پرداخت. برای کشوری همچون فرانسه این محدودیتها مشکلی نبودند. ولی برای یک مهندس نظام آغاز یک نبرد بود. کارنو به جای ساختن موتور بخار بهتر تئوری را ارائه نمود. البته در آن زمان ایده استفاده از قدرت بخار چندان جدید نبود. نیروی بخار نخستین بار در سال 1698 توسط توماس سیورفی برای به کار انداختن پمپ آب مورد استفاده قرار گرفت. از آن زمان مخترعین و مهندسینی مانند: ریچارد تلی ورتی، متین بورتن و جیمز وات پیوسته سعی در اصلاح و افزایش موتورهای بخار داشتند.

تمام این تلاش‌ها برای بدست آوردن کار بیشتر از حرارت ذغال سنگ بود. با این حال کشف جیمز وات در بدست آوردن روشی برای خنک کردن موتورهای بخار در خارج از محفظه اصلی، با استفاده از کندانسور عصر موتورهای بخار را آغاز کرد. در یک موتور بخار کدام قسمت از همه قسمتها حیاتی‌تر است؟ دریچه‌ها، چرخ‌دنده‌ها، میله‌ها، لوله‌ها، اهرم‌ها و نشانگرها یا چرخها و تسمه‌هایی که برای انتقال قدرت به کار می‌رود. سیلندر قلب یک موتور را تشکیل می‌دهد سیلندری که میله متحرکی در آن تعبیه شده و بخار فشرده آن را به حرکت وامی‌دارد. با باز شدن دریچه ورودی بخاری پرفشار وارد سیلندر شده و پیستون را به جلو می‌رساند و بر روی فلا‌بی کار انجام می‌دهد. فلا‌بی مجدداً پیستون را به دهانه سیلندر رانده و بخار را از دریچه تخلیه خارج می‌نماید. و بدین ترتیب موتور را آماده چرخه بعدی می‌شود، و این چرخه ادامه می‌یابد. (جلو، عقب)

در هر موتوری که طراحی شده سیلندر بخش اصلی و مهم آن است. سی دی کارنو با اطلاع از نحوه کار موتورهای بخار، سعی در بهینه‌سازی این موتورها نکرد، بلکه از خود پرسید ایده‌آل‌ترین موتورهایی که طبیعت اجازه ساخت آن را می‌دهد کدام است؟ کارنو پاسخ این سؤال را در چرخ‌های آبی یافت.

در زمانیکه کارنو سعی در درک قدرت موتور بخار نمود در اطراف او مثالهای متعددی از توان سیال آب وجود داشت. او فکر کرد همانطور که با فروریختن آب از ارتفاع بالاتر به سطحی پایین‌تر چتر آبی به حرکت درمی‌آید موتور بخار نیز با جریان سیال کلریک از دمای بالاتر به دمای پایین‌تر کار می‌کند. با در نظر داشتن این توصیف ساده سی دی کارنو جوان پاسخ سؤال خود را در برابر محدودیت‌های طبیعت که در برابر حداکثر بازدهی یک موتور وجود دارد پیدا کرد. هیچ ماشینی و یا ترکیبی از ماشینها نمی‌توان باعث شود که حرارت بیشتری به دمای بالاتر رفته و سپس به دمای پایین‌تر بازگردد.

این ایده نقطه آغازین تئوری کارنو بود، که حتی امروزه به عنوان یکی از اصول فیزیک شناخته می‌شود. البته امروزه این اصل قانون ترمودینامیک نام دارد. کارنو دریافت که با گردانیدن یک چتر آبی در جهت معکوس می‌توان آب را به ارتفاع بالاتری منتقل کرد. در واقع او چرخی را در نظر گرفت که با گردش خود چرخ دیگری را در جهت معکوس می‌گرداند و از آبی که در جهت دیگر فرو می‌ریزد برای بالا بردن آب چرخ اول استفاده می‌شود. او متوجه شد این ماشین مرکب آب را به ارتفاعی بالاتر از سطح آبی که فرو می‌ریزد منتقل می‌کند.

با به کار بردن این اصل در مورد حرارت قانون دوم ترمودینامیک شکل گرفت. با بدست آوردن چنین دیدگاهی کارنو دریافت بهترین موتوری که امکان ساخت آن وجود دارد، موتوری است که در هر دو جهت رفت و برگشت عملکرد یکسانی داشته باشد. در یک موتور معمولی حرارت از یک دمای بالاتر وارد شده. ماشینی که به این شکل کار می‌کند یخچال نام دارد. این ماشین حرارت را از محیط سرد خارج می‌کند و در محیط قرار می‌دهد. در سال 1820 کارنو با مشکل بزرگی مواجه بود. او در این فکر بود که چگونه می‌تواند موتوری اینگونه طراحی کند؟ او چند دریچه را حذف نمود، سیلندر و پیستون را در نظر گرفت، بخار را حذف کرد تا از هوا استفاده کند. با گرم کردن هوا انبساط صورت می‌گیرد و موتور به جلو حرکت می‌کند و برعکس. حرارت از دمای بالاتر وارد شده و پیستون کار می‌کند. اگر هوا سردتر است فشار کمتری به پیستون وارد می‌کند. بدین ترتیب موتور ایده‌آل موجود شده است. موتور ایده‌آل بسیاری از ویژگی موتورهای واقعی را دارد. با ورود حرارت موتور آماده چرخه بعدی می‌باشد.

حرارت به راحتی از سیلندر گرم به منبع سرد و برعکس از سیلندر سرد به منبع گرم راه می‌یابد. در تمامی مراحل به حرارت و گرما نیاز است.

سیلندر باید قبلاً گرم شود. با حرکت پیستون به عقب موتور در حالت عکس کار می‌کند. که این فرایند همدما نام دارد.

در مرحله بعد با جدا شدن حرارت گاز به انبساط خود ادامه می‌دهد این مرحله برگشت‌پذیر است. حال سیلندر آماده یک مرحله دیگر است.

بدیهی است که موتور کارنو در تخیل خوب کار می‌کند، اما اشتراکاتی با موتورهای دیگر دارد. این موتور به محفظه‌ای برای انقباض و انبساط گازها نیاز دارد. در حقیقت با ورود حرارت کمتر نیز بازدهی کافی و همان عملکرد بدست می‌آید. موتور واقعی با دریافت حرارت کار انجام می‌دهد، این مقدار کار آن است که موتور کارنو در جهت عکس به کار نیاز دارد. سی دی کارنو ثابت کرد که کار او عاری از اشتباه نبود. هیچ موتوری حتی موتور کارنو بازدهی کامل ندارد. که این امر بستگی به دمای گرم دارد، که بازدهی موتور بیشتر است. سی دی کارنو در سن 36 سالگی به دلیل سینه‌پهلو درگذشت وی به شهرت چندانی نرسید، اما ایده‌های کارنو فراتر از زمان خود بود.

هنگامی که ژول اصل بقای انرژی را مطرح کرد، شرایط برای کارنو دشوار شد. یک فیزیکدان آلمانی به نام کلازیوس ایده کارنو را آسان ساخت. چیزی که با عبور از موتور ایده‌آل تغییر نمی‌کند. این کمیت نسبت انرژی یا حرارت انرژی به دمای ورودی است. اختراع جیمز وات که موتوری با بازدهی بیشتر در جهت بدست آوردن پول بیشتر است .

انتروپی                                                                          

علم ترمودینامیک برپایه چهار اصل کلی قرار دارد که چهار قانون ترمودینامیک نامیده می‌شود. از میان این چهار قانون ابتدا قانون دوم و سپس قانون اول کشف شد. قانون سوم به نام قانون صفرم نامیده می‌شود. البته اینها منطقی است چون علم ترمودینامیک از منطقی‌ترین و کاربردی‌ترین علوم روی زمین است. به طور خلاصه این چهار قانون را بیان می‌کنیم: قانون صفرم درباره توصیف مفهوم دماست. قانون اول درباره اصل بقای انرژی است. قانون دوم درباره اصل انتروپی و قانون سوم دمایی فوق‌العاده پایین و دور از دسترس است.