كتب heat engines

يتمثل عمل المحركات الحرارية في تحويل الطاقة الحرارية Q_{in إلى شغل ميكانيكي Wout. هذه المحركات لا تقوم بهذه الوظيفة بصورة كاملة حيث أن بعض الحرارة الداخلة للمحرك لا تتحول إلى شغل وتمسى بالحرارة المهدرة Qout إلى البيئة المحيطة.}

الكفاءة الحرارية للمحركات الحرارية هي النسبة المتحولة من الحرارة إلى شغل. الكفاءة الحرارية تمثلها العلاقة:

تكون قيمة الكفاءة الحرارية لأفضل المحركات الحرارية أقل من 50%. لذلك فإن الحرارة المهدرة إلي البيئة المحيطة هي شئ أساسي في تلك المحركات. بما أن الوقود المنتج حول العالم يذهب معظمه لإدارة تلك الحركات فإنه جزأ كبير من الطاقة المنتجة تضيع في تلك المحركات على الرغم من استخدام الدورات المركبة وتدوير الطاقة للاستفادة منها في أغراض أخرى. هناك كفاءة نظرية تسمي كفاءة كارنو وهي النوع الأول من الكفاءات. الثانية، بعض المرحاكت يكون لها كفاءة منخفضة وذلك بسبب أن دورة المحرك المستخدو هي دورة لا انعكاسية. الثالثة وهي تنتج عن السلوك غير المثالي للمحركات الحقيقية مثل الاحتكاك الميكانيكي والمفاقيد داخل عمليات الاحتراق.

كفاءة كارنو

يضع القانون الثاني للديناميكا الحرارية حد للكفاءة الحرارية لأي محرك حراري. المحركات المثالية والتي لا يحدث بها احتكاك لا تستطيع تحويل كل الحرارة الداخلة لها إلى شغل. هناك عناصر تؤثر على الكفاءة الحرارية وهي درجة الحرارة عند الدخول للمحرك ودرجة حرارة البيئة المحيطة والتي تنتقل إليها الحرارة المهدرة والتي تقاس كلا منها بمقياس مطلق سواء الكلفن أو مقياس رانكن. لأي محرك حراري يعمل بين تلك درجات الحرارة فإن الكفاءة تساوي:

القيمة العظمى لهذه الكفاءة تسمى بكفاءة كارنو لانها كفاءة محرك غير قابل للتحقيق، مثالي وانعكاسي ويسمى بدورة كارنو. ليس هناك جهاز يحول الحرارة إلى شغل ميكانيكي يستطيع الوصول لهذه الكفاءة.

أمثلة على درجة الحرارة هي درجة حرارة البخار الداخل للعنفة في محطات الطاقة البخارية أو درجة الحرارة التي يحترق عندها الوقود في محركات الاحتراق الداخلي. درجة الحرارة عادة تكون درجة حرارة الجو المحيط حيث يكون المحرك موجود به أودرجة حرارة النهر أو البحيرة والتي تتجه إليها الحرارة المهدرة. على سبيل المثال، لو أن هناك محرك يحترق به الجازولين عند درجة حرارة = 816 سليزيوس = 1500 فهرنهيت = 1089 كلفن ودرجة حرارة الجو المحيط = 21 درجة سليزيوس = 70 فهرنهيت = 294 كلفن لذلك فإن أقصى كفاءة ممكنة هي:

عند النظهر هنا نجد أن درجة حرارة الجو المحيط تقريبا ثابتة ولذلك فإن المصم كي يزيد كفاءة المحرك لا بد من زيادة درجة الحرارة وهي درجة الحرارة التي تضاف عندها الحرارة للمحرك. تزداد كفاءة المحرك الحراري أيضا بزيادة درجة حرارة التي يعمل عندها ولذلك فإن البحث عن مواد تتحمل درجات الحرارة العالية هو مهم في تصميم المحركات.

عند النظر إلى كفاءة المحركات فإننا نجد أنها أقل بكثير من كفاءة كارنو فالكفاءة المتوسطة للمحركات نجدها أقل من 35%. تنطبق نظرية كارنو على دورات الديناميكا الحرارية حيث تتحول الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي. عند النظر إلى الأجهزة التي تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية نجد أن كفاءتها تكون أكبر من كفاءة كارنو.

كفاءة دورة المحرك

دورة كارنو هي دورة انعكاسية ولذلك فهي تمثل الحد الأعلى لكفاءة دورة المحرك. دورات المحركات هي دورة غير انعكاسية ولذلك فإن كفاءتها تكون أقل من كفاءة كارنو عندما تعمل بين نفس درجات الحرارة و . واحد من العوامل التي تؤثر على الكفاءة هي كيفية إضافة الحرارة إلى المائع العامل في الدورة وكيفية إزالتها. تحقق دروة كارنو الحد الأقصى للكفاءة لأن الحرارة المضافة تضاف عند درجة الحرارة العظمى ويتم إزالتها عند درجة الحرارة الدنيا . في محركات الاحتراق الداخلي فإن درجة حرارة خليط الهواء والوقود في الأسطوانة تكون بالقرب من درجة الحرارة العظمى عند حرق الوقود وتصل إلى درجة الحرارة العظمى فقط عند حرق كل الوقود لذلك فإن درجة الحرارة المتوسطة للحرارة المضافة تكون أقل وبالتالي تقل الكفاءة.

هناك عامل مهم يؤثر على كفاءة المحرك الحراري وهو نسبة الهواء إلى الوقود في الخليط γ. تقريبا تكون هذه النسبة 1.4 مع أنواع الوقود المختلفة. هذه النسبة يتم استخدامها في معادلات دورة المحرك وعند افتراض هذه النسبة فإنها تسمى دورة الهواء القياسية.

دورة أوتو: تطلق دورة أوتو على الدورات التي تستخدم الإشعال في محركات الاحتراق الداخلي مثل مركبات الجازولين ووقود الهيدروجين. تعتمد كفاءته النظرية على نسبة الانضغاط r للمحرك ونسبة الخليط γ في غرفة الاحتراق.

من هذه العلاقة نجد أن الكفاءة تزداد مع زيادة نسبة الانضغاطولكن هذه النسبة لها حدود وذلك لتجنب حدوث الطرق بداخل المحرك. تمتلك المحركات الحديثة نسبة انضغاط تتراوح بين 8 إلى 11 وتكون كفاءة الدورة المثالية 56% إلى 61%.

دورة ديزل: تستخدم هذه الدورة في محركات القطارات والشاحنات الكبيرة حيث يشتعل الوقود ذاتيا عند انضغاطه في الأسطوانة. تعتمد الكفاءة أيضا على r و γ كما هو الحال في دورة أوتو. بالإضافة إلى ذلك فإن هناك عامل آخر وهو نسبة القطع r_{c وهو النسبة بين حجم الأسطوانة عند البداية وعند نهاية شوط الاحتراق.}

عندما نقارن بين كفاءة دورة ديزل ودورة أوتو نجد أن كفاءة ديزل أقل من أوتوعند نفس نسبة الانضغاط. ولكن كفاءة محركات الديزل تكون أكبر من كفاءة محرك الجازولين بنسبة تصل إلى 30 أو 35%. هنا تكون نسبة الانضغاط كبيرة وذلك للوصول للضغط المطلوب كي يحدث عنده الأشتعال الذاتي ولذلك تكون النسبة أكبر منها في دورة أوتو.

دورة رانكن: تستخدم دورة رانكن في محطات القدرة البخارية. المائع العامل في هذه الدورة هو الماء ويتحول من الحالة السائلة للبخارية ومرة أخرى للسائلة ولذلك فإن الكفاءة تعتمد على خواص الديناميكا الحرارية للماء. تصل الكفاءة الحرارية في محطات العنفة البخارية إلى 47% وتصل إلى 60% في المحطات التي تكون مركبة وتحتوي على عنفة بخارية تستمد حرارتها غازات العادم الناتجة من عنفة غازية.

دورة برايتون: تستخدم دورة برايتون في العنفة الغازية والمحرك النفاث. تتكون هذه الدورة من ضاغط لزيادة ضغط الهواء القدام ويتم إضافة الوقود باستمرار مع الهواء لإتمام عملية الحرق ومن ثم يتم عمل تمدد للغازات الناتجة داخل العنفة الغازية. تعتمد الكفاءة بشكل كبير على نسبة الانضغاط بين p₂ وp_1.