[ناصر اللحياني]

المحاضرة الخامسة :

الآلة الحرارية

[align=justify]هي آلة تعمل على تحويل الطاقة الحرارية إلى أشكال أخرى للطاقة مثل الطاقة الميكانيكية أو الطاقة الكهربائية .

مراحل دورة الآلة الحرارية :
1 – أخذ طاقة حرارية ( كح2 ) من مستودع حراري ذي درجة حرارة عالية ( د2 ) ( المستودع الساخن : سمي بذلك لأنه يفترض أن تكون درجة حرارته ثابتة )
2 – تحول الآلة جزءا من هذه الحرارة إلى شغل ميكانيكي ( الآلة تبذل شغلا )
3 – تزويد الآلة الحرارية بطاقة حرارية ( كح1 ) ذي درجة حرارة منخفضة ( د1 ) إلى المستودع البارد .

وعند تطبيق القانون الأول في الديناميكا الحرارية : ∆ ط د = كح – شغ

∆ ط د = كح2 – كح1 – شغ
ولأن المراحل السابقة هي دورة كاملة ، وبالتالي فإن :
∆ ط د = صفر
إذا :
كح2 – كح1 – شغ = صفر
شغ = كح2 – كح1

مثال توضيحي على الآلة الحرارية ( الآلة البخارية ) :

[FLASH="http://www.phys4arab.net/vb/images/sharh/de24.swf"]width=550 height=280[/FLASH]
لحفظ الفلاش ، أضغط هنا بزر الفأرة الأيمن ثم أختر حفظ بإسم

1 – يمتص الماء الموجود في الغلاية الحرارة من المستودع الساخن فيتحول إلى بخار ( المستودع الساخن هنا عبارة عن وقود يتم حرقه لغلي الماء في الغلاية )

2 – يُفتح صمام الدخول ويغلق صمام الخروج ، فيدخل البخار ليقوم بدفع المكبس إلى الخارج باذلا شغل ، وبذلك تنخفض درجة الحرارة البخار .

3 – عندما يصل المكبس إلى حده الأقصى ليبدأ في الرجوع ، يُغلق صمام الدخول ويفتح صمام الخروج فيخرج البخار في درجة حرارة منخفضة ، ثم يصل إلى المكثف ، الذي يكثف هذا البخار ليتحول إلى ماء ، ونتيجة لذلك يفقد جزءا من طاقته الداخلية ، فتطرد الحرارة الناتجة عن ذلك ( الحرارة الكامنة للتكثيف ) إلى الهواء الخارجي الذي يعتبر بمثابة المستودع البارد .

4 – تقوم المضخة بضخ الماء إلى الغلاية حيث تعاد الدورة من جديد .



مثال توضيحي آخر على الآلة الحرارية ( السيارة ) :

1 – تأخذ طاقة حرارية من البنزين
2 – تحول الحرارة إلى شغل ميكانيكي ( حركة السيارة )
3 – باقي الحرارة يخرج على شكل عادم من السيارة .

مردود الآلة الحرارية ( كفاءتها ) :

يعتبر المردود ( الكفاءة ) من أهم مميزات الآلة من الناحية العلمية . وتعرف كفاءة الآلة الحرارية على أنها النسبة بين ما تبذله الآلة من شغل إلى الطاقة الحرارية الكلية التي تأخذها من المستودع الساخن خلال دورة كاملة .
أي أن :

كفاءة الآلة = الطاقة المنتجة / الطاقة المعطاة = شغ / كح2

لكن شغ = كح2 – كح1

إذا : كفاءة الآلة = (كح2- كح1)/ كح2

كفاءة الآلة = 1 – ( كح1 / كح2 )

وقد وجد كارنو أن : (كح1/كح2 ) = ك1 /ك2

إذا : كفاءة الآلة = 1- ك1 /ك2

القانون الثاني للديناميكا الحرارية :

تمهيد :
القانون الثاني للديناميكا الحرارية جاء مكملا للأول حيث إن القانون الأول هو قانون لحفظ الطاقة فيخبرنا بأن أي زيادة في شكل من أشكال الطاقة يصاحبه نقص في الشكل الآخر ، كما أنه لا يميز الشغل من الحرارة ، إذ يمكن زيادة الطاقة الداخلية للنظام بتزويده بالحرارة أو ببذل شغل عليه ، وبمعنى آخر هناك تحولات محددة للطاقة يسمح بها القانون الأول ، فمثلا يمكن تحويل الشغل كليا إلى حرارة ، ولكن العكس في الواقع غير ممكن أي لا يمكن تحويل الحرارة كليا إلى شغل دون إحداث أي تغيير في الوسط المحيط .

القانون الذي يبحث في أي العمليات ممكنة الحدوث وأيها مستحيلة هو القانون الثاني
و له عدة صيغ ، وهي :

1 - صيغة ( كلفن – بلانك ) " من المستحيل بناء آلة حرارية تعمل بحيث تمتص طاقة حرارية من مستودع حراري واحد وتحولها كليا إلى شغل ميكانيكي " أي أنه لكي تنتج الآلة الحرارية شغلا يجب أن يكون لها مستودعان حراريان مختلفان في درجة الحرارة .

2 – صيغة ( كلاوزيوس الأولى ) " من المستحيل بناء آلة حرارية تعمل بحيث تمتص الحرارة من مستودع حراري ذي حرارة منخفضة ، وتطردها إلى مستودع آخر ذي درجة حرارة أعلى دون الحاجة إلى بذل شغل ميكانيكي "

3- صيغة ( كلاوزيوس الثانية ) : تسري الحرارة سريانا طبيعيا من الجسم الساخن إلى البارد ومن المستحيل أن تسري من البارد إلى الساخن بشكل طبيعي.[/align]