‏فعالية الالة الحرارية Efficiency of the Thermal Engine

‏لقد كان المهندس الفرنسي سادي كارنو (Sadi Carnot) أول من جابه مشكلة فعالية (الآلة الحرارية) . إن ما فعله كارنو ، هو إهمال التفصيلات المتعلقة بعمل الآلة ، والتركيز على النواحي الأساسية التي تتخلص في ما يأتي :

‏1) تدخل حرارة إلى الآلة الحرارية عند درجة حرارة مرتفعة نسبيا .

2) تحول الآلة قسما من هذه الحرارة إلى شغل .

3) تلفظ الآلة ما تبقى من الحرارة (طبعا التي لم تحول إلى شغل) إلى الخارج ، وذلك عند درجة حرارة منخفضة نسبيا . ويوضح ذلك المخطط التالي (الشكل 1) . وتمثل الآلة في هذا المخطط بالدائرة . اما الحرارة المدخلة في الآلة عند درجة الحرارة المرتفعة نسبيا وهي Q₂ ، فهي تمثل بالمقطع العرضي في أعلى الشكل ، في حين أن الحرارة الخارجية من الآلة عند درجة الحرارة المنخفضة نسبيا وهي Q₁ ، تمثل بالمقطع العرضي في أسفل الشكل . ويمثل المقطع المتجه نحو اليمين الشغل الذي تنجزه الآلة (W) .

الشكل (1)

لاحظ أن الآلة تتعامل فقط بالحرارة والشغل . واذا اعتبرنا (بهدف التبسيط) أن الآلة تعمل في دورة مغلقة فإن المادة^* الموجودة في الآلة تعود في نهاية الدورة إلى حالتها الأصلية . وبذلك فإن التغير في طاقتها الداخلية عبر الدورة بكاملها يساوي صفرا . ومن هنا فإن تطبيق قانون الديناميكا الحرارية الأول على هذه الحالة يقود إلى العلاقة الآتية :

…………(1)   W = Q₂ - Q₁

‏أي أن الشغل الذي تنجزه الالة الحرارية يساوي الفرق بين الحرارة المدخلة في الآلة (Q₂) الخارجة منها (Q₁) ، والسؤال الآن كيف نقدر فعالية الآلة الحرارية في إنجازها للشغل ؟

(أ).......

‏تعرف فعالية الآلة (E) ، بأنها النسبة بين الشغل الذي تنجزه الآلة (W) والحرارة المدخلة للآلة(Q₂)   .

أي أن :

(2)................

وبالاعتماد على العلاقة (أ) ، نحصل على :

 ………….(3)

_____________________

* تسمى هذه المادة (المادة الشغالة) ، وهي الماء في الآلة البخارية ، والغاز في الآلة الغازية .

مواضيع ذات صلة

الديناميكا الحرارية الجزيئية

توزيع بولتزمان

العلاقات بين الخواص

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

الطاقة الحرة

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

القانون الأول للديناميكا الحرارية

Order and entropy

Irreversibility

The Clausius-Clapeyron equation

Internal energy

Entropy