கார்னோ இலட்சிய வெப்ப இயந்திரம்

கார்னோ இலட்சிய வெப்ப இயந்திரம் (Carnot's ideal heat engine)

ஒரு வெப்ப இயந்திரத்தின் பயனுறுதிறன் 100% இல்லை என முந்தய பிரிவில் நாம் பயின்றோம். அவ்வாறு இருக்கும் பட்சத்தில் ஒரு வெப்ப இயந்திரத்தின் அதிகபட்ச பயனுறுதிறன் என்ன? 1824 ஆம் ஆண்டு கார்னோ என்ற பிரெஞ்சு பொறியாளர், வெப்பமூலம் மற்றும் வெப்ப ஏற்பிக்களுக்கிடையே சுற்று செயல்முறையில் செயல்படும். மீள் நிகழ்வு வெப்ப இயந்திரம் (reversible heat engine) அதிகபட்ச பயனுறுதிறனைப் பெற்றுள்ளது என நிரூபித்தார். இந்த இயந்திரமே கார்னோ இயந்திரம் என்று அழைக்கப்படுகிறது. 

இரண்டு வெப்பநிலைகளுக்கிடையே சுழற்சி நிகழ்வாக, செயல்படும் மீள்நிகழ்வு இயந்திரம் கார்னோ இயந்திரமாகும். 

கார்னோ இயந்திரம் நான்கு முக்கியப்பாகங்களைப் பெற்றுள்ளது. அவை பின்வருமாறு 

(i) வெப்ப மூலம்: மாறா உயர்வெப்பநிலையில் உள்ள வெப்பமூலமாகும். இதிலிருந்து வெப்பநிலைமாறாமல் எவ்வளவு வெப்பத்தையும் பெறமுடியும்

(ii) வெப்ப ஏற்பி : மாறாத குறைந்த வெப்பநிலையில் உள்ள ஒரு பொருளாகும். இது எவ்வளவு வெப்பத்தையும் ஏற்றுக்கொள்ளும். 

(iii) வெப்பக்காப்பு மேடை: முழுமையான வெப்பக் காப்பு பொருளினால் இம்மேடை செய்யப்பட்டிருக்கும், இம்மேடை வழியே வெப்பம் கடத்தப்படாது. 

(iv) செயல்படும் பொருள்: முழுமையான வெப்பம் கடத்தாத சுவர்களையும் முழுமையான வெப்பம் கடத்தும் அடிப்பாகத்தையும் கொண்டுள்ள உருளையில் அடைத்துவைக்கப்பட்டுள்ள நல்லியல்பு வாயுவாகும். வெப்பக் கடத்தா மற்றும் உராய்வற்ற பிஸ்டன் ஒன்று உருளையுடன் பொருத்தப்பட்டுள்ளது.

இந்நான்கு பாகங்களும் படம் 8.44இல் காட்டப்பட்டுள்ளன.

கார்னோ சுற்று : 

கார்னோ சுற்றி செயல்படு பொருள் நான்கு தொடர்ச்சியான மீள் நிகழ்வுகளை சுழற்சி முறையில் நிகழ்த்துகிறது. 

செயல்படு பொருளின் தொடக்க அழுத்தம் மற்றும் பருமனை P1V1, என்க.

நிகழ்வு A → B (P1,V1,TH) முதல் (P2,V2,TH) வரையிலான மீமெது வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வு: 

உருளை வெப்ப மூலத்தின் மீது வைக்கப்படுகிறது. வெப்பம் வெப்ப மூலத்திலிருந்து உருளையின் அடிப்பரப்பின் வழியே செயல்படு பொருளுக்கு (நல்லியல்பு வாயுக்கு) பாய்கிறது. இது ஒரு வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வாகும். எனவே செயல்படு பொருளில் அக ஆற்றல் எவ்வித மாற்றமும் ஏற்படாது. பெறப்பட்ட வெப்பத்தினால் வாயுவின் பருமன் அதிகரிக்கும். பிஸ்டனை மிக மெதுவாக மேலே வருவதற்கு அனுமதிக்க வேண்டும். (மீமெது நிகழ்வின் அடிப்படையில்) இது படம் 8.47 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. வாயுவின் பருமன் V1 லிருந்து V2 க்கு அதிகரிக்கும். அதன் அழுத்தம் P1 லிருந்து P2 க்கு குறையும் போது வாயுவினால் செய்யப்பட்டவேலை W என்க. இது P-V வரைபடத்தில் AB பாதையாக குறிக்கப்பட்டுள்ளது. படம் (8.45)

வாயுவினால் செய்யப்பட்ட வேலை

இந்நிகழ்வு மீமெது நிகழ்வாக உள்ளதால் நல்லியல்பு வாயு அதன் இறுதி நிலையை அடையும் வரை வெப்பமூலத்துடன் சமநிலையில் இருக்கும். வெப்பநிலை மாறா விரிவினால் செய்யப்பட்ட வேலை சமன்பாடு (8.34)இல் குறிப்பிடப்பட்டுள்ளது.

இது படம் 8.46 (a) இல் காட்டப்பட்டுள்ளது

நிகழ்வு B→C (P2,V2,TH) முதல் (P3,V3,TL) வரையிலான மீமெது வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா விரிவு 

உருளை வெப்பக்கடத்தா மேடை மீது வைக்கப்படுகிறது பிஸ்டனை மேல் நோக்கி நகர அனுமதிக்க வேண்டும். வாயுவெப்பப்பரிமாற்றமில்லா முறையில் விரிவடைவதால் அதன் பருமன் V2, லிருந்து V3, க்கு அதிகரிக்கும் அதன் அழுத்தம் P2 விலிருந்து P3 ,க்குக்குறையும். வெப்பநிலை TL. ஆகும். PV வரைபடத்தில் இந்த வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா விரிவு BC வளைகோடாக காட்டப்பட்டுள்ளது. இந்த வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வு மீமெது நிகழ்வாக நடைபெற்றதால், நல்லியல்பு வாயு இந்நிகழ்வு முழுவதும் சமநிலையில் இருக்கும். மேலும் இது ஒரு மீள் நிகழ்வு என்பதையும் இது காட்டுகிறது. இது படம் 8.47 (b) இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.

சமன்பாடு (8.42) இல் இருந்து வெப்பப் பரிமாற்றமில்லா விரிவினால் வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை

இது படம் 8.46 (b) யிலும் காட்டப்பட்டுள்ளது. 

நிகழ்வு C→D 

(P3, V3, TL) முதல் (P4, V4, TL) வரையிலான மீமெது வெப்பநிலை மாறா அமுக்கம். இது படம் 8.47(c) இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. 

உருளை, வெப்ப ஏற்பியின் மீது வைக்கப்படுகிறது. வாயுவின் அழுத்தம் P4 மற்றும் அதன் பருமன் V4, ஐ அடையும் வரை வாயு வெப்பநிலை மாறா அமுக்கத்திற்கு உட்படுகிறது. இது PV வரைபடத்தில் CD வளைகோட்டினால் குறிப்பிடப்பட்டுள்ளது.

இது படம் 8.46 (c) இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. 

இங்கு V3, ஆனது V4 ஐ விட அதிகம் எனவேதான் செய்யப்பட வேலை எதிர்க்குறியில் உள்ளது. இதிலிருந்து வாயுவின் மீது வேலை செய்யப்பட்டது என்பதை அறியலாம்.

நிகழ்வு D→A: (P4,V4,TL,) முதல் (P1,V1,TH) வரையிலான மீமெது வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா அமுக்கம். இது படம் 8.47 (d) இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. 

உருளை வெப்பம் கடத்தா மேடை மீது மீண்டும் வைக்கப்படுகிறது. வாயு தனது தொடக்க நிலைகளான அழுத்தம் P1, பருமன் V1, மற்றும் வெப்பநிலை TH ஐ அடையும் வரை வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா அமுக்கத்திற்கு உட்படுகிறது. இது PV வரைபடத்தில் DA வளைகோடாக காட்டப்பட்டுள்ளது.

இந்த வெப்பப் பரிமாற்றமில்லா அமுக்கத்திலும் வாயுவின் மீது செய்யப்பட்ட வேலை எதிர்க்குறியாகும். இது படம் 8.46 (d) யில் காட்டப்பட்டுள்ளது. 

செயல்படு பொருளின் மீது ஒரு முழு சுற்றில் செய்யப்பட்ட தொகுபயன் வேலை W என்க.

∴ W = வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை - வாயுவின் மீது செய்யப்பட்ட வேலை

ஒரு முழு சுற்றுக்கு செயல்படு பொருளால் (நல்லியல்பு வாயு) செய்யப்பட்ட தொகுபயன் வேலை PV வரைபடத்தில் உள்ள ABCD என்ற மூடப்பட்ட வளைகோட்டினால் சூழப்பட்ட பரப்பிற்குச் சமம் என்பதை சமன்பாடு (8.60) காட்டுகிறது. இது படம் (8.48) இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.

மிக முக்கியமாக கவனிக்க வேண்டிய ஒன்று, ஒரு முழு சுற்றுக்குப் பின்னர் செயல்படு பொருள் தனது தொடக்க வெப்பநிலை TH ஐ அடைகிறது. இதிலிருந்து நாம் அறிந்து கொள்வது என்னவென்றால் ஒரு முழு சுற்றுக்குப்பின்னர் செயல்படு பொருளின் (நல்லியல்பு வாயுவின்) அக ஆற்றல் மாறுபாடு சுழி என்பதாகும்.