एक हीट इंजन बनाने के लिए जो गर्मी का उपयोग करके काम कर सकता है, आपको कुछ शर्तें बनाने की जरूरत है। सबसे पहले, एक गर्मी इंजन को चक्रीय मोड में काम करना चाहिए, जहां लगातार थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला एक चक्र बनाती है। चक्र के परिणामस्वरूप चल पिस्टन के साथ सिलेंडर में बंद गैस काम करती है। लेकिन समय-समय पर चलने वाली मशीन के लिए एक चक्र पर्याप्त नहीं है; इसे एक निश्चित समय के लिए बार-बार चक्र चलाना चाहिए। वास्तविकता में एक निश्चित समय के दौरान किया गया कुल कार्य, समय से विभाजित, एक और महत्वपूर्ण अवधारणा देता है - शक्ति।
19वीं शताब्दी के मध्य में, पहले ताप इंजन बनाए गए थे। उन्होंने काम किया, लेकिन ईंधन के दहन से प्राप्त बड़ी मात्रा में गर्मी खर्च की। यह तब था जब सैद्धांतिक भौतिकविदों ने खुद से सवाल पूछा था: "एक ताप इंजन में गैस कैसे काम करती है? न्यूनतम ईंधन उपयोग के साथ अधिकतम प्रदर्शन कैसे प्राप्त करें?"
गैस कार्य का विश्लेषण करने के लिए, परिभाषाओं और अवधारणाओं की एक पूरी प्रणाली को पेश करना आवश्यक था। सभी परिभाषाओं की समग्रता ने एक संपूर्ण वैज्ञानिक दिशा बनाई, जिसे प्राप्त हुआशीर्षक: "तकनीकी थर्मोडायनामिक्स"। ऊष्मप्रवैगिकी में, कई धारणाएँ बनाई गई हैं जो किसी भी तरह से मुख्य निष्कर्षों से अलग नहीं होती हैं। कार्यशील द्रव एक अल्पकालिक गैस है (प्रकृति में मौजूद नहीं है), जिसे शून्य मात्रा में संकुचित किया जा सकता है, जिसके अणु एक दूसरे के साथ बातचीत नहीं करते हैं। प्रकृति में, केवल वास्तविक गैसें होती हैं जिनमें अच्छी तरह से परिभाषित गुण होते हैं जो एक आदर्श गैस से भिन्न होते हैं।
कार्यशील तरल पदार्थ की गतिशीलता के मॉडल पर विचार करने के लिए, थर्मोडायनामिक्स के नियमों का प्रस्ताव किया गया था, जिसमें मुख्य थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं का वर्णन किया गया था, जैसे:
- आइसोकोरिक प्रक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया है जो काम कर रहे तरल पदार्थ की मात्रा को बदले बिना की जाती है। आइसोकोरिक प्रक्रिया की स्थिति, v=const;
- आइसोबैरिक प्रक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया है जो कार्यशील द्रव में दबाव को बदले बिना की जाती है। समदाब रेखीय प्रक्रिया की स्थिति, P=const;
- आइसोथर्मल (आइसोथर्मल) प्रक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया है जो किसी दिए गए स्तर पर तापमान बनाए रखते हुए की जाती है। इज़ोटेर्मल प्रक्रिया की स्थिति, T=const;
- एडियाबेटिक प्रक्रिया (एडियाबेटिक, जैसा कि आधुनिक हीट इंजीनियर इसे कहते हैं) पर्यावरण के साथ हीट एक्सचेंज के बिना अंतरिक्ष में की जाने वाली एक प्रक्रिया है। रुद्धोष्म प्रक्रिया की स्थिति, q=0;
- पॉलीट्रोपिक प्रक्रिया - यह सबसे सामान्यीकृत प्रक्रिया है जो उपरोक्त सभी थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं का वर्णन करती है, साथ ही एक चल पिस्टन के साथ एक सिलेंडर में प्रदर्शन करने के लिए अन्य सभी संभव है।
पहले हीट इंजन के निर्माण के दौरान, वे एक ऐसे चक्र की तलाश में थे, जिसमें आप उच्चतम दक्षता प्राप्त कर सकें(क्षमता)। साडी कार्नोट, थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं की समग्रता की खोज करते हुए, अपने स्वयं के चक्र के विकास के लिए आया, जिसे उसका नाम मिला - कार्नोट चक्र। यह क्रमिक रूप से एक इज़ोटेर्मल करता है, फिर एक रुद्धोष्म संपीड़न प्रक्रिया करता है। इन प्रक्रियाओं को करने के बाद काम कर रहे तरल पदार्थ में आंतरिक ऊर्जा का भंडार होता है, लेकिन चक्र अभी तक पूरा नहीं हुआ है, इसलिए काम करने वाला तरल फैलता है और एक इज़ोटेर्मल विस्तार प्रक्रिया करता है। चक्र को पूरा करने और काम कर रहे तरल पदार्थ के मूल मापदंडों पर लौटने के लिए, एक रुद्धोष्म विस्तार प्रक्रिया की जाती है।
कार्नॉट ने साबित किया कि उसके चक्र में दक्षता अधिकतम तक पहुँचती है और यह केवल दो समतापों के तापमान पर निर्भर करती है। उनके बीच का अंतर जितना अधिक होगा, उतनी ही उच्च तापीय क्षमता होगी। कार्नोट चक्र के अनुसार ऊष्मा इंजन बनाने के प्रयास सफल नहीं हुए हैं। यह एक आदर्श चक्र है जिसे पूरा नहीं किया जा सकता है। लेकिन उन्होंने ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के मुख्य सिद्धांत को थर्मल ऊर्जा की लागत के बराबर काम प्राप्त करने की असंभवता के बारे में साबित कर दिया। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के लिए कई परिभाषाएँ तैयार की गईं, जिनके आधार पर रुडोल्फ क्लॉसियस ने एन्ट्रापी की अवधारणा पेश की। उनके शोध का मुख्य निष्कर्ष यह है कि एन्ट्रापी लगातार बढ़ रही है, जिससे थर्मल "मृत्यु" होती है।
क्लौसियस की सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धि रुद्धोष्म प्रक्रिया के सार की समझ थी, जब इसे किया जाता है, तो कार्यशील द्रव की एन्ट्रापी नहीं बदलती है। अतः क्लॉसियस के अनुसार रुद्धोष्म प्रक्रम s=const है। यहां एस एन्ट्रॉपी है, जो गर्मी की आपूर्ति या हटाने के बिना निष्पादित प्रक्रिया को एक और नाम देता है, इसेंट्रोपिक प्रक्रिया। वैज्ञानिक ढूंढ रहा थाऊष्मा इंजन का ऐसा चक्र जहाँ एन्ट्रापी में कोई वृद्धि नहीं होगी। लेकिन, दुर्भाग्य से, वह ऐसा करने में असफल रहे। इसलिए, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि एक ऊष्मा इंजन बिल्कुल नहीं बनाया जा सकता है।
लेकिन सभी शोधकर्ता इतने निराशावादी नहीं थे। वे ऊष्मा इंजनों के लिए वास्तविक चक्रों की तलाश में थे। उनकी खोज के परिणामस्वरूप, निकोलस अगस्त ओटो ने गर्मी इंजन का अपना चक्र बनाया, जिसे अब गैसोलीन इंजन में लागू किया गया है। यहां, काम कर रहे तरल पदार्थ और आइसोकोरिक गर्मी की आपूर्ति (स्थिर मात्रा में ईंधन का दहन) के संपीड़न की एडियाबेटिक प्रक्रिया की जाती है, फिर एडियाबेटिक विस्तार प्रकट होता है (इसकी मात्रा बढ़ाने की प्रक्रिया में काम कर रहे तरल पदार्थ द्वारा काम किया जाता है) और आइसोकोरिक गर्मी हटाने। ओटो चक्र के पहले आंतरिक दहन इंजन में ईंधन के रूप में दहनशील गैसों का उपयोग किया जाता था। बहुत बाद में, कार्बोरेटर का आविष्कार किया गया, जिसने गैसोलीन वाष्प के साथ हवा के गैसोलीन-वायु मिश्रण बनाना शुरू किया और उन्हें इंजन सिलेंडर में आपूर्ति की।
ओटो चक्र में, दहनशील मिश्रण संकुचित होता है, इसलिए इसका संपीड़न अपेक्षाकृत छोटा होता है - दहनशील मिश्रण में विस्फोट होता है (महत्वपूर्ण दबाव और तापमान तक पहुंचने पर विस्फोट हो जाता है)। इसलिए, रुद्धोष्म संपीड़न प्रक्रिया के दौरान कार्य अपेक्षाकृत छोटा होता है। एक और अवधारणा यहां पेश की गई है: संपीड़न अनुपात संपीड़न की मात्रा के कुल आयतन का अनुपात है।
ईंधन ऊर्जा दक्षता बढ़ाने के तरीकों की खोज जारी रही। संपीड़न अनुपात में वृद्धि में दक्षता में वृद्धि देखी गई। रुडोल्फ डीजल ने अपना खुद का चक्र विकसित किया जिसमें गर्मी की आपूर्ति की जाती हैनिरंतर दबाव पर (आइसोबैरिक प्रक्रिया में)। उनके चक्र ने डीजल ईंधन (इसे डीजल ईंधन भी कहा जाता है) का उपयोग करने वाले इंजनों का आधार बनाया। डीजल चक्र दहनशील मिश्रण को संपीड़ित नहीं करता है, बल्कि हवा को। इसलिए, कार्य को रुद्धोष्म प्रक्रिया में किया जाना कहा जाता है। संपीड़न के अंत में तापमान और दबाव अधिक होता है, इसलिए इंजेक्टर के माध्यम से ईंधन इंजेक्ट किया जाता है। यह गर्म हवा के साथ मिलकर एक ज्वलनशील मिश्रण बनाता है। यह जलता है, जबकि कार्यशील द्रव की आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है। इसके अलावा, गैस का विस्तार रुद्धोष्म के साथ चला जाता है, एक कार्यशील स्ट्रोक बनता है।
हीट इंजन में डीजल चक्र को लागू करने का प्रयास विफल रहा, इसलिए गुस्ताव ट्रिंकलर ने संयुक्त ट्रिंकलर चक्र बनाया। इसका उपयोग आज के डीजल इंजनों में किया जाता है। ट्रिंकलर चक्र में, आइसोकोर के साथ और फिर आइसोबार के साथ गर्मी की आपूर्ति की जाती है। उसके बाद ही कार्यशील द्रव के विस्तार की रुद्धोष्म प्रक्रिया की जाती है।
पारस्परिक ताप इंजन के अनुरूप, टरबाइन इंजन भी काम करते हैं। लेकिन उनमें, गैस के उपयोगी रुद्धोष्म प्रसार के पूरा होने के बाद गर्मी हटाने की प्रक्रिया आइसोबार के साथ की जाती है। गैस टर्बाइन और टर्बोप्रॉप इंजन वाले वायुयान में रुद्धोष्म प्रक्रिया दो बार होती है: संपीड़न और विस्तार के दौरान।
रुद्धोष्म प्रक्रिया की सभी मूलभूत अवधारणाओं को प्रमाणित करने के लिए गणना सूत्र प्रस्तावित किए गए थे। यहां एक महत्वपूर्ण मात्रा दिखाई देती है, जिसे रुद्धोष्म प्रतिपादक कहा जाता है। एक द्विपरमाणुक गैस के लिए इसका मान (ऑक्सीजन और नाइट्रोजन हवा में मौजूद मुख्य द्विपरमाणुक गैसें हैं) 1.4 है। गणना करने के लिएरुद्धोष्म प्रतिपादक, दो और दिलचस्प विशेषताओं का उपयोग किया जाता है, अर्थात्: कार्यशील द्रव की समदाबीय और समद्विबाहु ऊष्मा क्षमताएँ। उनका अनुपात k=Cp/Cv रुद्धोष्म घातांक है।
हीट इंजन के सैद्धांतिक चक्रों में रुद्धोष्म प्रक्रिया का उपयोग क्यों किया जाता है? वास्तव में, पॉलीट्रोपिक प्रक्रियाएं की जाती हैं, लेकिन इस तथ्य के कारण कि वे उच्च गति से होती हैं, यह मानने की प्रथा है कि पर्यावरण के साथ कोई गर्मी विनिमय नहीं है।
90% बिजली थर्मल पावर प्लांट से पैदा होती है। वे जल वाष्प का उपयोग कार्यशील द्रव के रूप में करते हैं। यह पानी उबालकर प्राप्त किया जाता है। भाप की कार्य क्षमता को बढ़ाने के लिए इसे सुपरहिट किया जाता है। सुपरहीटेड स्टीम को तब उच्च दबाव पर स्टीम टर्बाइन में फीड किया जाता है। भाप के विस्तार की रुद्धोष्म प्रक्रिया भी यहीं होती है। टरबाइन रोटेशन प्राप्त करता है, इसे एक विद्युत जनरेटर में स्थानांतरित किया जाता है। इससे उपभोक्ताओं के लिए बिजली पैदा होती है। स्टीम टर्बाइन रैंकिन चक्र पर काम करते हैं। आदर्श रूप से, दक्षता में वृद्धि जल वाष्प के तापमान और दबाव में वृद्धि के साथ भी जुड़ी हुई है।
जैसा कि ऊपर से देखा जा सकता है, यांत्रिक और विद्युत ऊर्जा के उत्पादन में रुद्धोष्म प्रक्रिया बहुत आम है।
