ترمودینامیک

واژه ترمودینامیک از دو واژه یونانی ترمو به معنی گرما و دینامیک به معنی پویایی وقدرت تشکیل شده است . کلمه دینامیک در واژه این علم به معنی این است که ترمودینامیک علم بررسی انرژی در حرکت و پویایی اجسام و سیستمها است ، به همین دلیل واژه معادل فارسی ترمودینامیک ، گرماپویایی است . در این علم تمام جنبه های انرژی و تبدیلات آن از قبیل تولید قدرت ، تبرید و سرمایش توصیف می شوند .

ترمودینامیک علم بررسی رفتار مواد در برابر کار و انرژی (معمولاً به شکل گرما) است. در ترمودینامیک درمورد روش‌های تبدیل انرژی و تغییرات خواص ماده در اثر تبدیل انرژی، تغییر فاز و یا تماس با ماده دیگر بحث می‌ شود. این تعریف بسیارکلی است و در واقع هنگامی می‌توان این تعریف را واقعاً درک کرد که با جوانب کاربردی آن آشنا شده باشیم.

تعریف دقیق ترمودینامیک درهمه کتابهای ترمودینامیک و جزوات درسی دانشجویان موجود است که آن را علم کار و حرارت یا دانش انرژی و انتروپی خوانده اند .
می دانیم که ماده از تعداد زیادی ذرات به نام مولکول تشکیل شده است که خواص یک ماده بطور طبیعی به رفتار این ذرات وابسته است . مثلا برای تعریف فشار یک گاز از برخورد مولکوها و انتقال اندازه حرکت آنها کمک می گیریم ؛ حال با دانستن این موضوع به این نکته اشاره می کنیم که برای تعیین فشار داخل یک محفظه لازم نیست که از رفتار ذرات گاز اطلاع دقیق داشته باشیم و با اتصال

یک فشار سنج به آن محفظه نیز می توان فشارآن را یافت . در ترمودینامیک ،این روش که یک دید کلی و باز یا به عبارتی یک دید ماکروسکوپی به رفتار اجسام است و نیاز به اطلاع از رفتار ذرات ندارد ، ترمودینامیک کلاسیک نام دارد .

درمقابل اگر با یک دید دقیق و میکروسکوپی به رفتار اجسام بنگریم و مبنای عمل ، میانگین رفتار گروههای بزرگ ذرات باشد در علم ترمودینامیک آماری به سر می بریم .
ترمودینامیک نیز مانند تمام علوم ، یک علم آزمایشگاهی و تجربی است که بنیان آن بر اساس چند اصل ساده و بسیلر مهم شکل گرفته است که به قوانین ترمودینامیک موسوم هستند که این قوانین نیز برگرفته از مشاهدات تجربی است .

بسیاری ازتجهیزات مهندسی شامل دستگاههای تاسیساتی ، تجهیزات نیروگاهی ، توربین های گاز ، موتورهای احتراق داخلی ، یخچال ها وبسیاری از دیگر اختراعات بشر بر پایه علم ترمودینامیک شکل گرفته است .
مشهود ترین کاربردهای ترمودینامیک در سیکلهای توان ( قدرت ) و سیکلهای تبرید ( سرمایش ) یافت می شوند.
ازاین میان می توان به سه مثال خوب از دستگاههای ترمودینامیکی اشاره کرد :
۱٫ نیروگاه ساده بخار
۲٫ موتورهای احتراق داخلی

۳٫ یخچال ساده ومعمولی
یک نیروگاه بخار دارای ۴ جزء اصلی است :
• دیگ بخار ( boiler )
• توربین ( turbine )
• چگالنده یا تقطیرگر ( condenser )
• پمپ ( pump )
بطور خلاصه مکانیزم کاری یک نیروگاه ساده بخار بصورت زیر است :
در دیگ بخار ، بخار آب تولید می شود ، در توربین ،انرژی آن به حرکت یک شافت تبدیل شده که این شافت به ژنراتور برای تولید برق متصل است، سپس در تقطیرگر بخار خروجی از توربین به مایع تبدیل شده و به کمک پمپ به دیگ بخار باز می گردد تا این سیکل تکرار شود.
در تصویر زیر طرح و شکل کلی یک نیروگاه ساده بخار نمایش داده شده است .

طرح و شکل کلی یک نیروگاه ساده بخار
يکی دیگر از نمونه های کاربردی سیکلهای قدرت ، سیکل استاندار هوایی اتو بوده که مکانیزم موتورهای احتراق داخلی ( اشتعال جرقه ای ) را با آن تقریب می زنند. چهار فرایندهای مکش ، تراکم ، اشتعال ،انبساط وتخلیه که دریک سیلندر- پیستون رخ می دهد ، به خوبی در این سیکل بیان می شود .

چهار فرایندهای مکش ، تراکم ، اشتعال ،انبساط وتخلیه
مراحل كاري يك موتور احتراق داخلي

چهار فرایندهای مکش ، تراکم ، اشتعال ،انبساط وتخلیه
در نهایت به معرفی یکی دیگر از دستگاههای ترمودینامیکی می پردازیم :

در یک یخچال ساده ، کمپرسور ، بخار را مکیده و با فشار و حرارت بالا آن را به کندانسور می فرستد . در کندانسور این بخار گاز تقطیر وسرد شده و در شیر انبساط دچار افت فشار می شود . مایع حاصل در اواپراتور تبخیر شده و با گرمایی که از مواد غذایی می گیرد ، تولید سرما می کند . این بخار به طرف کمپرسور هدایت شده و سیکل تکرار می گردد .

کمپرسور ، بخار را مکیده و با فشار و حرارت بالا آن را به کندانسور می فرستد . در کندانسور این بخار گاز تقطیر وسرد شده و در شیر انبساط دچار افت فشار می شود . مایع حاصل در اواپراتور تبخیر شده و با گرمایی که از مواد غذایی می گیرد ، تولید سرما می کند . این بخار به طرف کمپرسور هدایت شده و سیکل تکرار می گردد

موتورهای درون‌سوز یا موتورهای احتراق داخلی به موتور‌هایی گفته می‌شود که در آن‌ها مخلوط سوخت و اکسیدکننده (معمولا هوا یا اکسیژن) در داخل محفظه بسته‌ای واکنش داده و محترق می‌شوند. در اثر احتراق گازهای داغ با دما و فشار بالا حاصل می‌شوند و در اثر انبساط این گازها قطعات متحرک موتور به حرکت در آمده و کار انجام می‌دهند.[۱] هر چند غالباً منظور از به‌کار بردن اصطلاح موتورهای درون‌سوز موتورهای معمول در خودروها می‌باشند با این حال موتورهای موشک و انواع موتورهای جت نیز شامل تعریف موتورهای درون‌سوز می‌شوند.

موتور درون‌سوز یک وسیله گردنده‌است که در خودروها، هواگردها، قایق موتوری، موتورسیکلت‌ها و صنایع کاربرد دارد. بدون بهره‌گیری از موتورهای درون‌سوز، اختراع و ساخت هواپیماها ممکن نبود. تا پیش از پرواز نخستین هواپیمای جت در سال ۱۹۳۹، نیروی محرکه تمام هواپیماها در واقع توسط موتورهای درون‌سوز تأمین می‌شد..[۲]
نخستین موتور درون‌سوز چهارزمانه توسط نیکلاس اوگوست اوتو، مخترع آلمانی و در سال ۱۸۷۶ ساخته‌شد.[۳]
[ویرایش] انواع

این موتورها را به دسته کلی موتور چهارزمانه و موتورهای دوزمانه می‌توان تقسیم کرد. اصول کاری این موتورها مشابه‌است. لیکن نحوه عمل آنها به علت تفاوت‌های ساختاری اندکی متفاوت است.
موتور چهارزمانه: این موتورها برای هر انفجار (مرحله تبدیل انرژی سوخت به انرژی مکانیکی) می‌بایست چهار مرحله مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را انجام دهند.

موتورهای دوزمانه: این موتورها در هر دور چرخش دارای یک انفجار هستند. این کار با ترکیب کردن مراحل انفجار و دم و بازدم به عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم به عنوان مرحله بعدی صورت می‌گیرد.[۴]
شیوهٔ کار
موشک یک موتور درون‌سوز است که برای کارکردن، نیازی به هوای بیرون ندارد. موشک هم سوخت و هم مادهٔ اکسیدکننده را با خود حمل می‌کند. این دو ماده با هم در اتاقک احتراق می‌سوزند و گازهای داغی تولید می‌کنند که از طریق دهانهٔ خروجی تخلیه می‌شوند. درون اتاقک احتراق، گازهای داغ بر تمام جهات فشار می‌آورند.

اگر اتاقک کاملا مسدود باشد، فشار در تمام جهت‌ها یکسان خواهدبود و موشک حرکت نخواهدکرد. اما اتاقک احتراق چنان ساخته می‌شود که این گازها با سرعت زیاد از دهانهٔ خروجی تخلیه شوند. این کار باعث می‌شود که فشار گاز در تمام جهت‌ها یکسان نباشد؛ چون فشار واردشده به طرف جلو بسیار بیشتر از طرف عقب است، موشک به سمت جلو حرکت می‌کند. این حرکت، از قانون سوم نیوتن پیروی می‌کند:«برای هر عمل، عکس‌العملی وجود دارد برابر و در جهت

مخالف». در موشک، گازهای در حال فوران از دهانهٔ خروجی، عمل و فشار رو به جلو، یا پیشرانه، عکس‌العمل است. چون موشک سوخت و اکسیدکننده را با خود حمل می‌کند، و از آن‌جا که قانون سوم نیوتن در همه جا صدق می‌کند، پس موشک می‌تواند هم در جو زمین و هم در خلاء فضا حرکت کند.
ویژگی‌ها
بر خلاف موتورهای خودروی برقی، موتور درون‌سوز دارای صدها قطعه متحرک است. مواد مصرفی موتورهای درون‌سوز نیز مانند روغن، روغن گیربکس و مایع خنک‌کننده برای طبیعت موادی آلاینده هستند.[۵]
کاربرد ترمودینامیکها در موتورهای احتراق هوایی
از موتور استرلینگ می توان در هواپیما ها استفاده کرد .در ارتباط با سر و صدای ناشی از پرواز هواپیما ها ، اجتماعات اطراف فرودگاه ها از مزیت موتور استرلینگ درهواپیما بهره می برند.
موتور استرلینگ در هواپیما سبب می شود که ارتعاشات وارد بر بدنه و سر نشینان کاهش یابد .این امر به این خاطر است که در موتور استرلینگ جرقه زنی و انفجار وجود نداشته و موتور فاقد سوپاپ می باشد .گشتاور یک موتور ۴ سیلندر احتراق داخلی در یک چرخه از ۱۰۰ درصد منفی تا ۳۵۰ درصد مثبت تغییرمی کند .درمورد موتور استرلینگ تنها ۵ درصد تغییرات وجود دارد.

در این راستا سرنشینان راحتی بیشتری را احساس می کنند و بدنه هواپیما نیز کمتر دچار خستگی می گردد.
موتور های استرلینگ در هواپیما ها مشکل آلودگی ناشی از سوخت های دارای سرب را ندارند.همچنین در مورد مسئله ایمنی برای هواپیما احتیاج به سوختی هستکه خطر انفجار کمتری داشته باشد که این امر با توجه به خصوصیت موتور استرلینگ که با سوخت های مختلف کار می کند قابل دسترسی است .

در مورد موتور های استرلینگ بر خلاف سایر محرکه ها هواپیما می توان گفت که هر قدر هواپیما اوج بگیردو بالاتر رود عملکردموتور بهتر می شود.این امر به هواپیما کمک می کند که بتواند فراتر از آب و هوای بد پرواز کند و ایمنی خود را حفظ کندهمچنین می توان گفت که سرعت هواپیما به دلیل پرواز در ارتفاع بالاتر بیشتر می شود . زیرا هوا در آنجا رقیقتر می گردد.
در محرکه های دیگر این مسئله یک قید برای سیستم بحساب میآید و ارتفاع هواپیما محدود می شود.
سیکل استرلینگ یک سیکل معکوس شونده است .اگر یک طرف موتور گرم شود در حالی که طرف دیگر سرد شده باشد ، موتور استرلینگ کار مکانیکی انجام می دهد . حال اگر کار مکانیکی را با اتصال یک موتور الکتریکی به شافت خروجی موتور استرلینگ به آن وارد می کنیم ،یک طرف موتور گرم می شود و طرف دیگر آن سرد می گردد .
با یک طراحی درست و دقیق طرف سرد موتور ، سرمای زیادی ایجاد کرده و به یک کولر تبدیل می شود. کولرهای استرلینگ در تحقیقاتی که به دماهای بسیار پایین مثلا زیر ۱۰ کلوین نیاز دارنداستفاده می شود .اولین کولر استرلینگ در سال ۱۹۵۰ در کمپانی فیلیپس به بهره برداری رسید و به صورت تجاری به عنوان واحدهای تولید نیتروژن مایع استفاده شد .
پک های کوچک کولر استرلینگ برای خنک کردن چیپ های مادون قرمزبه کار می روند و سرمایی معادل ۸۰ کلوین ایجاد می کند.

این میکروکولر ها به طور گسترده در وسایل دید شب ، وسایل ردگیری و هدایت پرتابه های نظامی و در دوربین های ماهواره ها کاربرد دارد.

از جمله کاربرد های موتور استرلینگ ، کاربرد آن به عنوان نیرو محرکه یک زیر دریایی می باشد.
در سال ۱۹۸۰ میلادی ، کمپانیKockums سوئد ، که یک پیمانکار دفاعی می باشد، موتور استرلینگ را در یک زیر دریایی تحقیقاتی با عملکرد در عمق ۶۰۰ متری ساخت.این زیر دریایی به عنوان بی صداترین زیردریایی جهان شناخته می شد.تکنولوژی پیشرفته مورد استفاده در این زیر دریایی به نام محرکه مستقل از هوا AIP می باشد .(Air independent propulsion)