একটি তাপ ইঞ্জিন তৈরি করতে যা তাপ ব্যবহার করে কাজ করতে পারে, আপনাকে কিছু শর্ত তৈরি করতে হবে। প্রথমত, একটি তাপ ইঞ্জিনকে অবশ্যই একটি চক্রীয় মোডে কাজ করতে হবে, যেখানে ধারাবাহিক থার্মোডাইনামিক প্রক্রিয়াগুলির একটি চক্র একটি চক্র তৈরি করে। চক্রের ফলস্বরূপ, একটি চলমান পিস্টন সহ একটি সিলিন্ডারে আবদ্ধ গ্যাস কাজ করে। কিন্তু পর্যায়ক্রমে অপারেটিং মেশিনের জন্য একটি চক্র যথেষ্ট নয়; এটি অবশ্যই একটি নির্দিষ্ট সময়ের জন্য বারবার চক্রগুলি সম্পাদন করতে হবে। বাস্তবে একটি নির্দিষ্ট সময়ে সম্পাদিত মোট কাজ, সময় দিয়ে ভাগ করলে আরেকটি গুরুত্বপূর্ণ ধারণা পাওয়া যায় - শক্তি।
19 শতকের মাঝামাঝি, প্রথম তাপ ইঞ্জিন তৈরি করা হয়েছিল। তারা কাজ করেছিল, কিন্তু জ্বালানীর দহন থেকে প্রাপ্ত প্রচুর পরিমাণে তাপ ব্যয় করেছিল। তখনই তাত্ত্বিক পদার্থবিদরা নিজেদের প্রশ্ন জিজ্ঞাসা করেছিলেন: "তাপ ইঞ্জিনে গ্যাস কীভাবে কাজ করে? ন্যূনতম জ্বালানী ব্যবহার করে কিভাবে সর্বোচ্চ কর্মক্ষমতা পাওয়া যায়?"
গ্যাসের কাজ বিশ্লেষণ করার জন্য, সংজ্ঞা এবং ধারণার একটি সম্পূর্ণ সিস্টেম চালু করা প্রয়োজন ছিল। সমস্ত সংজ্ঞার সামগ্রিকতা একটি সম্পূর্ণ বৈজ্ঞানিক দিক তৈরি করেছে, যা পেয়েছিলশিরোনাম: "প্রযুক্তিগত তাপগতিবিদ্যা"। থার্মোডাইনামিক্সে, অনেকগুলি অনুমান করা হয়েছে যেগুলি কোনওভাবেই মূল সিদ্ধান্তগুলি থেকে বিচ্ছিন্ন হয় না। কার্যকারী তরল হল একটি ক্ষণস্থায়ী গ্যাস (প্রকৃতিতে বিদ্যমান নয়), যা শূন্য আয়তনে সংকুচিত হতে পারে, যার অণু একে অপরের সাথে যোগাযোগ করে না। প্রকৃতিতে, কেবলমাত্র প্রকৃত গ্যাসই রয়েছে যেগুলির সুনির্দিষ্ট বৈশিষ্ট্য রয়েছে যা একটি আদর্শ গ্যাস থেকে আলাদা৷
ওয়ার্কিং ফ্লুইডের গতিবিদ্যার মডেলগুলি বিবেচনা করার জন্য, তাপগতিবিদ্যার নিয়মগুলি প্রস্তাব করা হয়েছিল, প্রধান তাপগতিগত প্রক্রিয়াগুলি বর্ণনা করে, যেমন:
- আইসোকোরিক প্রক্রিয়া এমন একটি প্রক্রিয়া যা কার্যকারী তরলের আয়তন পরিবর্তন না করে সঞ্চালিত হয়। আইসোকোরিক প্রক্রিয়ার অবস্থা, v=const;
- আইসোবারিক প্রক্রিয়া এমন একটি প্রক্রিয়া যা কার্যকারী তরলে চাপ পরিবর্তন না করে সঞ্চালিত হয়। আইসোবারিক প্রক্রিয়া অবস্থা, P=const;
- আইসোথার্মাল (আইসোথার্মাল) প্রক্রিয়া এমন একটি প্রক্রিয়া যা একটি নির্দিষ্ট স্তরে তাপমাত্রা বজায় রাখার সময় সঞ্চালিত হয়। আইসোথার্মাল প্রক্রিয়া অবস্থা, T=const;
- এডিয়াব্যাটিক প্রক্রিয়া (এডিয়াব্যাটিক, আধুনিক তাপ প্রকৌশলীরা এটিকে বলে) একটি প্রক্রিয়া যা পরিবেশের সাথে তাপ বিনিময় ছাড়াই মহাকাশে সম্পাদিত হয়। অ্যাডিয়াব্যাটিক প্রক্রিয়া অবস্থা, q=0;
- পলিট্রপিক প্রক্রিয়া - এটি হল সবচেয়ে সাধারণ প্রক্রিয়া যা উপরের সমস্ত থার্মোডাইনামিক প্রক্রিয়াগুলিকে বর্ণনা করে, সেইসাথে একটি চলমান পিস্টন সহ একটি সিলিন্ডারে সম্পাদন করা সম্ভব অন্যান্য সমস্তগুলিকে বর্ণনা করে৷
প্রথম তাপ ইঞ্জিন তৈরির সময়, তারা এমন একটি চক্র খুঁজছিল যেখানে আপনি সর্বোচ্চ দক্ষতা পেতে পারেন(দক্ষতা). সাদি কার্নোট, থার্মোডাইনামিক প্রক্রিয়াগুলির সামগ্রিকতা অন্বেষণ করে, তার নিজের চক্রের বিকাশে এসেছিলেন, যা তার নাম পেয়েছে - কার্নোট চক্র। এটি ক্রমানুসারে একটি আইসোথার্মাল সঞ্চালন করে, তারপরে একটি এডিয়াব্যাটিক কম্প্রেশন প্রক্রিয়া। এই প্রক্রিয়াগুলি সম্পাদন করার পরে কার্যকরী তরলটিতে অভ্যন্তরীণ শক্তির একটি রিজার্ভ থাকে, তবে চক্রটি এখনও সম্পূর্ণ হয়নি, তাই কার্যকারী তরলটি প্রসারিত হয় এবং একটি আইসোথার্মাল প্রসারণ প্রক্রিয়া সম্পাদন করে। চক্রটি সম্পূর্ণ করতে এবং কার্যকারী তরলটির মূল পরামিতিগুলিতে ফিরে যেতে, একটি adiabatic সম্প্রসারণ প্রক্রিয়া সঞ্চালিত হয়৷
কার্নোট প্রমাণ করেছেন যে তার চক্রের কার্যকারিতা সর্বাধিক পৌঁছেছে এবং এটি শুধুমাত্র দুটি আইসোথার্মের তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে। তাদের মধ্যে উচ্চতর পার্থক্য, অনুরূপভাবে উচ্চ তাপ দক্ষতা। কার্নোট চক্র অনুযায়ী একটি তাপ ইঞ্জিন তৈরি করার প্রচেষ্টা সফল হয়নি। এটি একটি আদর্শ চক্র যা পূরণ করা যাবে না। কিন্তু তিনি তাপশক্তির খরচের সমান কাজ পাওয়ার অসম্ভবতা সম্পর্কে তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের মূল নীতি প্রমাণ করেছিলেন। তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের জন্য বেশ কয়েকটি সংজ্ঞা প্রণয়ন করা হয়েছিল, যার ভিত্তিতে রুডলফ ক্লসিয়াস এনট্রপির ধারণাটি চালু করেছিলেন। তার গবেষণার প্রধান উপসংহার হল এনট্রপি ক্রমাগত বৃদ্ধি পাচ্ছে, যা তাপীয় "মৃত্যু"র দিকে নিয়ে যাচ্ছে।
ক্লসিয়াসের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ কৃতিত্ব ছিল অ্যাডিয়াব্যাটিক প্রক্রিয়াটির সারাংশ বোঝা, যখন এটি সঞ্চালিত হয়, তখন কার্যকরী তরলের এনট্রপি পরিবর্তিত হয় না। অতএব, ক্লসিয়াসের মতে, adiabatic প্রক্রিয়া হল s=const। এখানে s হল এনট্রপি, যা তাপ সরবরাহ বা অপসারণ ছাড়া সঞ্চালিত প্রক্রিয়াটিকে আরেকটি নাম দেয়, আইসেন্ট্রপিক প্রক্রিয়া। বিজ্ঞানী খুঁজছিলেনএকটি তাপ ইঞ্জিনের এমন একটি চক্র যেখানে এনট্রপি বৃদ্ধি পাবে না। কিন্তু, দুর্ভাগ্যক্রমে, তিনি তা করতে ব্যর্থ হন। অতএব, তিনি অনুমান করেছিলেন যে একটি তাপ ইঞ্জিন তৈরি করা যায় না।
কিন্তু সব গবেষক এতটা হতাশাবাদী ছিলেন না। তারা তাপ ইঞ্জিনের জন্য আসল চক্র খুঁজছিল। তাদের অনুসন্ধানের ফলস্বরূপ, নিকোলাস অগাস্ট অটো তাপ ইঞ্জিনের নিজস্ব চক্র তৈরি করেছিলেন, যা এখন পেট্রল ইঞ্জিনগুলিতে প্রয়োগ করা হয়। এখানে, কর্মক্ষম তরল এবং আইসোকোরিক তাপ সরবরাহের সংকোচনের অ্যাডিয়াব্যাটিক প্রক্রিয়া (একটি ধ্রুবক আয়তনে জ্বালানীর দহন) সঞ্চালিত হয়, তারপরে অ্যাডিয়াব্যাটিক সম্প্রসারণ প্রদর্শিত হয় (এর আয়তন বাড়ানোর প্রক্রিয়ায় কার্যকরী তরল দ্বারা কাজ করা হয়) এবং আইসোকোরিক তাপ অপসারণ। অটো চক্রের প্রথম অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনগুলি জ্বালানী হিসাবে দাহ্য গ্যাস ব্যবহার করত। অনেক পরে, কার্বুরেটর আবিষ্কৃত হয়, যা গ্যাসোলিন বাষ্পের সাথে বাতাসের গ্যাসোলিন-এয়ার মিশ্রণ তৈরি করতে শুরু করে এবং ইঞ্জিন সিলিন্ডারে সরবরাহ করে।
অটো চক্রে, দাহ্য মিশ্রণটি সংকুচিত হয়, তাই এর সংকোচন তুলনামূলকভাবে ছোট - দাহ্য মিশ্রণটি বিস্ফোরিত হতে থাকে (গুরুত্বপূর্ণ চাপ এবং তাপমাত্রায় পৌঁছালে বিস্ফোরিত হয়)। অতএব, adiabatic কম্প্রেশন প্রক্রিয়া চলাকালীন কাজ তুলনামূলকভাবে ছোট। আরেকটি ধারণা এখানে চালু করা হয়েছে: কম্প্রেশন অনুপাত হল কম্প্রেশনের আয়তনের মোট আয়তনের অনুপাত।
জ্বালানি শক্তির দক্ষতা বাড়ানোর উপায় অনুসন্ধান অব্যাহত রয়েছে৷ কম্প্রেশন অনুপাত বৃদ্ধিতে দক্ষতা বৃদ্ধি দেখা গেছে। রুডলফ ডিজেল তার নিজস্ব চক্র তৈরি করেছিলেন যাতে তাপ সরবরাহ করা হয়ধ্রুব চাপে (আইসোবারিক প্রক্রিয়ায়)। তার চক্রটি ডিজেল জ্বালানী ব্যবহার করে ইঞ্জিনের ভিত্তি তৈরি করেছিল (এটিকে ডিজেল জ্বালানীও বলা হয়)। ডিজেল চক্র দাহ্য মিশ্রণকে সংকুচিত করে না, তবে বায়ুকে। অতএব, কাজ একটি adiabatic প্রক্রিয়ায় করা বলা হয়. কম্প্রেশনের শেষে তাপমাত্রা এবং চাপ বেশি থাকে, তাই ইনজেক্টরের মাধ্যমে জ্বালানি ইনজেকশন করা হয়। এটি গরম বাতাসের সাথে মিশে, একটি দাহ্য মিশ্রণ তৈরি করে। এটি পুড়ে যায়, যখন কার্যকারী তরলের অভ্যন্তরীণ শক্তি বৃদ্ধি পায়। আরও, গ্যাসের সম্প্রসারণ অ্যাডিয়াব্যাটিক বরাবর যায়, একটি কার্যকরী স্ট্রোক তৈরি হয়।
তাপ ইঞ্জিনে ডিজেল চক্র বাস্তবায়নের প্রচেষ্টা ব্যর্থ হয়, তাই গুস্তাভ ট্রিঙ্কলার সম্মিলিত ট্রিঙ্কলার চক্র তৈরি করেন। এটি আজকের ডিজেল ইঞ্জিনে ব্যবহৃত হয়। ট্রিঙ্কলার চক্রে, আইসোকোর বরাবর এবং তারপর আইসোবার বরাবর তাপ সরবরাহ করা হয়। শুধুমাত্র তার পরে, কর্মক্ষম তরল সম্প্রসারণের adiabatic প্রক্রিয়া সঞ্চালিত হয়।
আন্তরিক তাপ ইঞ্জিনের সাথে সাদৃশ্য দ্বারা, টারবাইন ইঞ্জিনগুলিও কাজ করে। কিন্তু তাদের মধ্যে, গ্যাসের দরকারী diabatic সম্প্রসারণ শেষ হওয়ার পরে তাপ অপসারণের প্রক্রিয়াটি আইসোবার বরাবর সঞ্চালিত হয়। গ্যাস টারবাইন এবং টার্বোপ্রপ ইঞ্জিন সহ বিমানে, এডিয়াব্যাটিক প্রক্রিয়াটি দুবার ঘটে: সংকোচন এবং সম্প্রসারণের সময়।
এডিয়াব্যাটিক প্রক্রিয়ার সমস্ত মৌলিক ধারণাগুলিকে প্রমাণ করার জন্য, গণনার সূত্রগুলি প্রস্তাব করা হয়েছিল। একটি গুরুত্বপূর্ণ পরিমাণ এখানে উপস্থিত হয়, যাকে বলা হয় অ্যাডিয়াব্যাটিক সূচক। একটি ডায়াটমিক গ্যাসের জন্য এর মান (অক্সিজেন এবং নাইট্রোজেন বায়ুতে উপস্থিত প্রধান ডায়াটমিক গ্যাস) হল 1.4। গণনা করতেঅ্যাডিয়াব্যাটিক সূচক, আরও দুটি আকর্ষণীয় বৈশিষ্ট্য ব্যবহার করা হয়, যথা: কার্যকারী তরলের আইসোবারিক এবং আইসোকোরিক তাপ ক্ষমতা। তাদের অনুপাত k=Cp/Cv হল diabatic সূচক।
তাপ ইঞ্জিনের তাত্ত্বিক চক্রে কেন অ্যাডিয়াব্যাটিক প্রক্রিয়া ব্যবহার করা হয়? প্রকৃতপক্ষে, পলিট্রপিক প্রক্রিয়াগুলি সঞ্চালিত হয়, তবে এগুলি উচ্চ গতিতে হওয়ার কারণে, পরিবেশের সাথে তাপ বিনিময় নেই বলে ধরে নেওয়ার প্রথাগত।
90% বিদ্যুত তাপবিদ্যুৎ কেন্দ্র দ্বারা উত্পাদিত হয়। তারা কাজের তরল হিসাবে জলীয় বাষ্প ব্যবহার করে। এটি ফুটন্ত জল দ্বারা প্রাপ্ত করা হয়। বাষ্পের কার্যক্ষমতা বাড়াতে, এটি সুপারহিটেড হয়। সুপারহিটেড বাষ্পকে উচ্চ চাপে বাষ্প টারবাইনে খাওয়ানো হয়। বাষ্প সম্প্রসারণের adiabatic প্রক্রিয়া এখানে সঞ্চালিত হয়. টারবাইন ঘূর্ণন গ্রহণ করে, এটি একটি বৈদ্যুতিক জেনারেটরে স্থানান্তরিত হয়। যে, ঘুরে, ভোক্তাদের জন্য বিদ্যুৎ উৎপন্ন করে। স্টিম টারবাইন র্যাঙ্কাইন চক্রে কাজ করে। আদর্শভাবে, দক্ষতা বৃদ্ধির সাথে জলীয় বাষ্পের তাপমাত্রা এবং চাপ বৃদ্ধির সাথেও জড়িত।
যেমন উপরের থেকে দেখা যায়, যান্ত্রিক এবং বৈদ্যুতিক শক্তি উৎপাদনে adiabatic প্রক্রিয়া খুবই সাধারণ।
