المپياد جهاني فيزيك
 پيوندهاي المپياد فيزيك
 
 ماشين استرلينگ (زنگ تفريح شماره‌ي 39)
ماشين استرلينگ (زنگ تفريح شماره‌ي 39)زنگ تفريح فيزيك
تبديل كار به انرژي

ماشين استرلينگ



در سال 1195 (1816 ميلادي) قبل از اين‌كه حتي علم «ترموديناميك» پيدا شود كشيشي اسكاتلندي به‌نام «رابرت استرلينگ» (Robert Sterling) يك ماشين هواي داغ - كه مي‌توانست مقداري از انرژي آزاد شده توسط سوخت احتراقي را به‌كار تبديل كند - طراحي كرد.

اين ماشين تا سال‌هاي زيادي مفيد و مورد استفاده بود ولي به‌علت توسعه‌ي ماشين‌هاي بخار و درون‌سوز متروك شد.

مراحل عمل چنين ماشيني در شكل 1 نشان داده شده است. دو پيستون، يكي در سمت راست و ديگري در سمت چپ و ديگري پيستون تراكم در سمت چپ به يك ميله متصل‌اند.

الف - مرحله‌ي 1 به 2

ب - مرحله‌ي 2 به 3

ج - مرحله‌ي 3 به 4

د - مرحله‌ي 4 به 1

شكل 1 - چرخه‌ي استرلينگ
(مراحل ترموديناميكي ماشين استرلينگ).

وقتي كه ميله دوران مي‌كند ‌اين پيستون‌ها به‌كمك اتصال‌هاي مناسب در فاز مخالف حركت مي‌كنند. فضاي بين دو پيستون با گاز پُر شده است و قسمت چپ فضاي مذكور به يك منبع داغ‌ (سوخت در حال احتراق) وصل است. در حالي‌كه قسمت سمت راست آن در تماس با يك منبع سرد است.

بين دو بخش گاز، ‌دستگاه
R موسوم به «بازمولد» (Regenerator) قرار دارد كه تشكيل شده است از يك بسته «پشم فولاد» يا يك رشته «بازدارنده‌هاي فلزي» كه رسانش گرمايي آن‌ها به اندازه‌اي پايين است كه مي‌توانند اختلاف دماي بين دو انتهاي گرم و سرد را (بدون هدايت گرمايي قابل‌توجهي) حفظ كنند.

«چرخه‌ي استرلينگ» متشكل از چهار فرايند است كه طرح‌وار در شكل 1 نشان داده شده‌اند و شامل تغييرهاي «فشار» و «حجم» است كه (با فرض وجود شرايط ايده‌آل) در نمودار
PV در شكل 2 رسم شده است. 

شكل 2 - نمودار تغيير فشار، حجم در دماي ثابت.


 

مرحله‌ي 1 به 2 (2→1)
هنگامي كه پيستون سمت چپ در بالا قرار مي‌گيرد ‌پيستون سمت راست تا نيمه‌ي راه به بالا مي‌رود و گاز سرد را - كه در تماس با منبع سرد است - متراكم مي‌كند و بنابراين باعث خروج گرمايQcمي‌شود. اين يك تراكم تقريبا هم‌دما است ‌كه به‌صورت يك فرايند هم‌دماي كامل در دماي θc نشان داده شده است.

مرحله‌ي 2 به 3 (32)
پيستون سمت چپ به پايين و پيستون راست به بالا مي‌رود ‌به‌طوري‌كه هيچ‌گونه تغييري در حجم ايجاد نمي‌شود ولي گاز ازطريق«باز مولد» از قسمت سرد به قسمت داغ رانده مي‌شود و وارد قسمت چپ - كه در دماي بالاتر
θH قرار دارد - مي‌گردد. براي انجام اين‌كار، بازمولد گرماي │QRرا به گاز مي‌دهد.

ياداوري - توجه كنيد كه فرايند 3
2 در شكل (1 - ب) در حجم ثابت رخ مي‌دهد.


مرحله‌‌ي 3 به 4 (43)
اكنون در حالي كه پيستون سمت چپ - كه به منبع گرم وصل است - به حركت خود به‌سوي پايين ادامه مي‌دهد‌ پيستون سمت راست ساكن باقي مي‌ماند و باعث مي‌شود گاز دست‌خوش يك انبساط تقريبا هم‌دما شود - كه طي آن همان‌طور كه در شكل (1 - ج) نشان داده شده است - گرماي
│QHدر دماي θH جذب مي‌شود.

مرحله‌ي 1 به 4 (14)
هر دو پيستون در جهت مخالف يكديگر حركت مي‌كنند و از اين رو گاز را از طريق «باز مولد» از طرف داغ به‌طرف سرد مي‌رانند و تقريبا همان مقدار گرماي
QRرا - كه در فرايند 2 به 3 (32) جذب شده بود - به «بازمولد» پس مي‌دهد. اين فرايند عملا در حجم ثابت صورت مي‌گيرد.

نتيجه‌ي خالص چرخه‌ي مذكور جذب گرماي QHدر دماي بالاي θH و دفع گرماي Qcدر دماي پايين θC و تحويل كار به محيط است كه از رابطه‌ي ذيل به‌دست مي‌آيد كه طي آن هيچ انتقال گرماي خالصي در اين فرايند با حجم ثابت صورت نمي‌گيرد:

│QH│-│Qc│=W



بايد تاكيد شود كه شكل (1 - الف) بر اين فرض‌ها استوار است كه:
1 - گاز كامل است
2 - هيچ نشت گازي صورت نمي‌گيرد
3 - هيچ گرمايي از طريق ديواره‌هاي سيلندر تلف يا كسب نمي‌شود
4 - هيچ گرمايي از داخل «بازمولد» جريان نمي‌يابد‌
5 - هيچ اصطكاكي وجود ندارد.
 
نموداري كه چرخه‌ي واقعي استرلينگ را نشان مي‌دهد بيش‌تر شبيه به شكل 3 است. حتي اگر اين شرايط ايد‌ه‌آل مي‌توانستند در عمل تحقق يابد ‌باز هم مقداري گرما در دماي پايين‌تر Qcدفع مي‌شد و لذا همه‌ي QH ورودي نمي‌توانست به كار تبديل شود.


الف - سرمايش هم‌حجم از مرحله‌ي 3 تا 4
(حجم ثابت).


ب

شكل 3 - شمايي كلي از ماشين استرلينگ.


منابع
- والدوز زيمانسكي، مارك؛ ديتمن، ريچارد؛ «حرارت و ترموديناميك».
1386/8/6لينک مستقيم

فرستنده :
محمد HyperLink HyperLink 1397/1/1
مـتـن : ایووووول

فرستنده :
ناشناس HyperLink HyperLink 1394/7/13
مـتـن : خیلی ممنون عالی بود

فرستنده :
ناشناس HyperLink HyperLink 1391/10/11
مـتـن : عالی

فرستنده :
ناشناس HyperLink HyperLink 1390/5/25
مـتـن : باتشكر از اطلاعات خوبتون
پاسـخ :

نظر شما پس از تاييد در سايت قرار داده خواهد شد
نام :
پست الکترونيکي :
صفحه شخصي :
نظر:
تاییدانصراف
 
 المپياد فيزيك

 

     

 

 

صفحه‌ي اصلي

     

 

راهنماي سايت

     

 

 

آموزش

     

 

بانك سوال

     

 

 

مسابقه

     

 

 

زنگ تفريح

     

 

 

مصاحبه و گزارش

     

 

 

معرفي كتاب

     

 

 

مشاوره

     

 

 

پرسش‌و‌پاسخ‌علمي

     

 

اخبار

 

فعاليت‌هاي علمي

 سايت‌هاي المپياد فيزيك
 بازديدها
كاربران غيرعضو آنلاينكاربران غيرعضو آنلاين:  2400
 كاربران عضو آنلاين:  0
  کل كاربران آنلاين:  2400