7-mavzu: issiqlik mashinalari yoki issiqlik dvigatellari. Karno sikli va uning foydali ish koeffisiyenti (fik). Termodinamikaning ikkinchi qonuniga ta’riflar. Reja

7-MAVZU: ISSIQLIK MASHINALARI YOKI ISSIQLIK DVIGATELLARI. KARNO SIKLI VA UNING FOYDALI ISH KOEFFISIYENTI (FIK).

TERMODINAMIKANING IKKINCHI QONUNIGA TA’RIFLAR.
Reja:

1. 
   Issiqlik mashinalari yoki dvigatellarining ishlash prinsipi.
   
2. 
   Karno sikli qanday jarayonlardan iborat?
   
3. 
   Karno siklining FIK nimalarga bog’liq?
   
4. 
   Termodinamikaning ikkinchi qonuniga ta’riflar.
   

Tayancha iboralar: issiqlik mashinalari, issiqlik dvigatellari, siklik jarayon, Karno sikli, isitgich, sovutgich, ishchi jism, issiqlik miqdori, ish, FIK, ikkinchi tur abadiy dvigateli.
Yoqilg’ining yonishida hosil bo’lgan energiyani mexanik energiyaga aylantiruvchi mexanizmlarga issiqlik mashinalari yoki dvigatellari deb ataladi. Masalan, bug’ turbinalari, ichki yonuv dvigatellari, reaktiv dvigatellar shular jumlasidandir. Issiqlik dvigatellari asosan 3 qismdan: isitgich, sovutgich va ishchi jismdan iborat(1-rasm)

1-rasm
Real dvigatellarda isitgich va ishchi jism vazifasini dvigatelda yonayotgan massa va uning yonishidan hosil bo’lgan gaz, sovutgich rolini esa sovutish sistemasi va tashqi atrof muhit bajaradi. Bu dvigatellarning barchasida yoqilg’i energiyasi gaz yoki bug’ energiyasiga aylanadi, bu energiya esa mexanik energiyaga aylanib ish bajaradi. Issiqlik dvigateli ishlayotganda isitgich yoqilg’idan Q₁ issiqlik miqdorini oladi va sovutgich atrof muhit, atmosferaga Q₂ issiqlik miqdorini beradi. Amalda isitgichdan olingan Q₁ issiqlik miqdorining eng katta qismini mexanik ishga aylantiruvchi dvigatel qurish foydalidir. Shu nuqtai nazardan izoxorik jarayondan umuman foydalanib bo’lmaydi. Chunki bu holda umuman ish bajarilmaydi. Izobarik jarayonda ham faqat bir qism issiqlik ishga aylantiriladi, qolgan qismi esa yonilg’ining ichki energiyasini oshirishga sarf bo’ladi. Demak, bu ikki jarayonni ishlovchi jismga tadbiq etib bo’lmaydi.

Chunki bizlarga ma’lumki, temperatura doimiy bo’lgan jarayonga izotermik, bosim doimiy bo’lgan jarayonga izobarik, hajm doimiy bo’lgan jarayonga izoxorik, sistema tashqari bilan energiya almashinmasa (energiya olmasa ham, energiya bermasa ham) adiabatik jarayon deyiladi. Tabiiy holda, bunday izojarayonlarda sistemaga berilgan issiqlik miqdori bir-biridan farq qiladi. Shuning uchun ham turli izojarayonlarda termodinamika birinchi qonunining ko’rinishi ham turlicha bo’ladi. Ana shu izojarayonlarga termodinamika birinchi qonunining tadbig’ini ko’raylik.

1. 
   Izotermik jarayon. Termodinamik sistemaning temperaturasi o’zgarmasa, uning ichki energiyasi ham o’zgarmaydi, ya’ni 0 shuning uchun termodinamikaning birinchi qonuni
   

Q=A (1)

ko’rinishini oladi.

Bu holda gaz issiqlikdan kengayib, o’zi ish bajaradi.

2. 
   Izobarik jarayon. Bu jarayonda gazga berilgan issiqlik miqdori gazning ichki energiyasini oshirishga va gazning kengayib, ish bajarishiga sarf bo’ladi. Bu jarayonda termodinamikaning birinchi qonuni
   

Q= +A (2)

ko’rinishini oladi.

3. 
   Izoxorik jarayon. Bu holda gaz kengaymaydi, shuning uchun ham ish bajarmaydi. Demak, sistemaga berilgan issiqlik miqdori faqat sistemaning ichki energiyasini oshirishga sarf bo’ladi.
   

Q= (3)

Agar gaz soviyatgan bo’lsa, uning ichki energiyasi kamayadi ya’ni uning temperaturasi pasayadi.

4. 
   Adiabatik jarayon. Agar termodinamik sistema tashqi atrof muhit bilan energiya almashmasa bunday jarayonga adiabatik jarayon deyiladi. Ta’rifdan ko’rinadiki, adiabatik jarayonda Q=0 bo’lganligi uchun termodinamikning birinchi qonunini
   

+A=O yoki =-A (4)

ko’rinishini oladi.

Isitgichdan olingan issiqlik miqdorining eng ko’p qismini mexanik ishga aylantiruvchi dvigatel fransuz injeneri S.Karno tomonidan taklif etilgan bo’lib, bu mashina ikki izotermik, ikki adiabatik jarayonlardan iborat sikl asosida ishlaydi.

Haqiqatdan ham, ishchi jismga izotermik jarayonni tadbiq etsak, uzatilgan issiqlikning hammasini ishchi jism mexanik ishga aylantiradi (Q=A). Adiabatik jarayonda esa tashqi muhit bilan issiqlik almashinish sodir bo’lmaydi, ya’ni uzatilgan enrgiya bexuda sarflanmaydi.

Bu jarayonni amalda qanday hosil bo’lishini porshenli silindrga qamalgan ideal gaz misolida qarab chiqaylik.

Issiqlik dvigatelini harakatga keltirish maqsadida silindrga qamalgan ideal gazni T₁temperaturali isitgich bilan kontaktga keltirib, undan Q₁ issiqlik miqdorini olishga erishaylik (2-rasm).

а) b) c) d)

2-rasm
U holda gaz izotermik kengayib ma’lum ish bajaradi (3-rasm, 1-2 holat).

3-rasm
Keyin esa silindr porshenni issiqlik o’tkazmaydigan Б taglikka o’rnataylik. Bunda gaz adiabatik kengayishini davom ettiradi va unda gazning temperaturasi adiabatik kengayishi tugayli T₂ gacha soviydi (2-rasm, b-holat, 3-rasm 2-3holat). Undan keyin esa, sistemani temperaturasi T₂ ga teng bo’lgan sovutgichga o’rnatamiz (3-rasm, c-holat). U holda gaz izotermik siqiladi va sovutgichga Q₂ issiqlik miqdori uzatiladi (3-rasm, 3-4holat). Sikl yopilib, gaz yana ish bajarishi uchun u boshlang’ich vaziyatni egallamog’i lozim. Buning uchun esa uni yana Б taglikka o’rnatamiz. Bu holda gaz adiabatik siqilishni davom ettirib, uning temperaturasi boshlang’ich T₁ ga erishadi. (2-rasm, d-holat) Demak bundan ko’rinadiki, Karno sikli deb sistemaga berilgan issiqlik miqdori hisobiga maksimal ish bajariladigan aylanma jarayonga aytilar ekan.

Sikl davomida bajarilgan foydali ish isitgichdan olingan Q₁ va sovutgichga uzatilgan Q₂ issiqlik miqdorining ayirmasiga teng.

A=Q₁-Q₂ (5)

ga teng. Siklning foydali ish koeffisiyenti (FIK) deb, bajarilgan foydali A ishning isitgichdan olingan issiqlik miqdoriga nisbatiga aytiladi.

(6)
Ana shunday qaytar sikl bilan ishlaydigan ideal issiqlik dvigatellarining FIKini Karno hisoblab topgan. Bunday ideal issiqlik dvigatellarining FIKi eng katta (maksimal) bo’lib, faqat isitgich temperaturasi T₁ va sovutgich temperaturasi T₂ ga bog’liq bo’ladi, ammo ishchi moddaning turiga bog’liq emas:
_max = < 1 (7)
Karno sikli qaytar jarayon sodir bo’ladigan yagona aylanma jarayondir. Har qanday real mashinadagi jarayonlar qaytmas qismlardan iborat bo’ladi.

Real issiqlik dvigatelining FIKi ideal issiqlik dvigatelining FIKidan kichik bo’ladi.

_max yoki (8)

Bunda tenglik belgisi faqat Karno sikli bilan ishlab, qaytar jarayonlar sodir bo’ladigan ideal dvigatellarga tegishli. Bu tengsizlik termodinamika ikkinchi qonunining miqdoriy ifodasi bo’lib, Klauzius tengsizligi deyiladi.

Karno sikli bilan ishlaydigan issiqlik dvigatelining FIKini oshirish uchun isitgich va sovutgich temperaturalari farqini oshirish kerak. Masalan, T₁=400K va T₂=300K bo’lganda = 0,25, ya’ni 25 bo’lsa, T₁=500K va T₂=250K bo’lganda

=0,5 , ya’ni 50 bo’ladi.

Real issiqlik dvigatellardagi ishqalanish va ayrim issiqlik yo’qotishlar tufayli, ularning FIKi birdan juda kichik bo’ladi.