ليالي الشتاء
13-02-2007, 16:33
بسم الله الرحمن الرحيم
أتعرفون ما هذه الصورة..??
http://www.9q9q.org/index.php?image=6ntWXVhEDiGDMk
انه محرك ميكانيكي.. ولكي أقترب أكثر ..فإن هذا محرك الجازولين..
بالفعل إنه يشبهه..
دعونا ندخل في موضوعنا ..
وفي البدء سأتحدث قليلا عن الهدف من وجود المحركات الحرارية..
فهي تعتبر من أهم العوامل التي ساعدت على تطور حياتنا العملية..
ويظهر ذلك جليا في استخدامنا للسيارات والطيارات..وغيرها من وسائل النقل الحديثة..
لكن ما هي هذه المحركات..؟ وكيف يتم عملها..؟
هذا ما نحن بصدد شرحه أللآن..
وقبل أن أدخل في مكائن الاحتراق أود أن أذكر الغرض الذي صممت لأجله..
ألا وهو : إعطاء شغل مستمر وذلك بتكرار الدورة
وأن صافي الشغل في الدورة هو ما يخرج من الماكينة (Out put) ويدعى بالشغل الناتج .
والحرارة الممتصة تعرف بــ (input).
وبشكل عام فالمحركات الحرارية تعمل عل تحويل الطاقة إلى شغل..
* مكائن الاحتراق الداخلي : (internal combustion Engines)
في هذا النوع يقوم الغاز أو الخليط من الغازات بانجاز دورة تؤثر على المكبس الذي يؤدي بدوره
على محور الدوران (Shaft) وتكون الحركة في اتجاه معاكس لاتجاه القوة.
ويتطلب هذا النظام رفع درجة الحرارة وكذلك زيادة الضغط..ويتم ذلك بواسطة تفاعل كيميائي بين
الوقود وبين المواد داخل الإسطوانه نفسها..ومثال ذلك ماكينة الجازولين وماكينة الديزل..
دعونا الآن نتعمق أكثر..ماهي ماكينة الجازولين..؟
وكيف تعمل مثل هذه المكائن..؟و هل هي مكينة مثالية ..أم لا..؟
هذا ما سنوضحه في الفقرة التالية.
*ماكينة الجازولين : (Gasoline Engine)
http://www.9q9q.org/index.php?image=N4dEFD1YXYxTID
تتكون الدورة في ماكينة الجازولين من ست عمليات أربع منها تتطلب حركة المكبس
( وهي الموضحة في الصورة أعلاه ) وتسمى " الضربات " ومن خلال تتبع الخطوات
(من اليسار إلى اليمين ) في الصورة السابقة يمكنني تعريفها كما يلي :
1. ضربة السحب intake stroke :
ويتم فيها سحب خليط من بخار الجازولين والهواء (الضغط والحجم ثابت)
2. ضربة الانضغاط compression stroke :
وفيها يضغط خليط بخار الجازولين والهواء حتى يرتفع الضغط ودرجة الحرارة بشكل ملحوظ.
( الضغط يزيد بينما الحجم يقل)..
3. الانفجار أو الاحتراق explosion :
يتم احتراق الخليط بسرعة كبيرة جدا وذلك بواسطة شرارة كهربائية ويصحب هذا الاحتراق
(ضغط عال جدا وارتفاع كبير بدرجة الحرارة دون حدوث تغير في الحجم)..
4. ضربة القدرة power stroke) Ignition ) :
تتمدد نواتج الاحتراق وتدفع المكبس ومن ثم يحدث( انخفاض في كل من الضغط ودرجة الحرارة بينما الحجم يزيد )
5. صمام الفاقد valve exhaust :
تظل نواتج الاحتراق في نهاية ضربة القدرة عند درجة حرارة وضغط أكبر من درجة الحرارة
والضغط خارج الاسطوانة وعند ذلك يفتح صمام الفاقد ويسمح بتسريب بعض نواتج الاحتراق وبذلك
( ينخفض الضغط إلى أن يصبح مساويا للضغط الجوي بينما الحجم ثابت )
6. ضربة الفاقد exhaust stroke :
في هذه الضربة يطرد المكبس معظم نواتج الاحتراق خارج الاسطوانة محدثا ضغطا يفوق
الضغط الجوي بكثير.
وهذا صورة توضح أكثر ما يحدث وسيسهل علينا فهمها عندما نتتبع الأسهم..
http://www.9q9q.org/index.php?image=m1BuvtGediHduQ
أما الآن فعلي التخلص من عدة أشياء في ماكينة الجازولين حتى يسهل علينا تحليلها رياضيا..
وذلك بفرض شروط مثاليه أهمها:
1. أن المادة الفعالة في جميع الحالات هي الهواء الذي يسلك سلوك الغاز المثالي ذي سعة حرارية ثابتة .
2. أن جميع العمليات هي كوازى ستاتيكيا (Quasi-static ).
3. ليس هناك احتكاك.
وعلى أساس هذه الافتراضات..
ووفقا للضربات التي تحدثنا عنها سنرسم بيان هذه العملية لمحوري الحجم والضغط..
( أنظر إلى مابين الأقواس في الشرح السابق وستستطيع بسهولة رسم هذه العملية )
http://www.9q9q.org/index.php?image=JY8NOMwuSbbaGg
أتلاحظون : بيان هذه العملية مشابه لدورة أتو ..
إذن أستطيع أن أطبق دورة أتو على محرك الجازولين..
الآن دعونا نوضح معالم هذه الرسمة كي نوجد الكفاءة لها..
أولا : من المراحل الستة على منحنى الضغط والحجم نحصل على :
(1) في المرحلة من 1 إلى 2 ( مرحلة الانضغاط ) تمثل ضغط للغاز في عملية اديباتيكية يقل الحجم
من V1 إلى V2 وترتفع درجةالحرارة من T1 إلى T2 وذلك من خلال المعادلة :
http://www.9q9q.org/index.php?image=p7EKLJxvTwUsie
(2) في العملية من 2 إلى 3 (مرحلة الاحتراق) يزداد كلاً من الضغط ودرجة الحرارة من T2 إلى T3
ويمتص النظام كمية حرارة من الاشتعال Qh.
(3) في المرحلة من 3 إلى 4 (مرحلة القوة) تمثل تمدد للغاز في عملية اديباتيكية يزداد الحجم من V2
إلى V1 وتقل درجة الحرارة من T3 إلى T4 وذلك من خلال المعادلة :
http://www.9q9q.org/index.php?image=rAGUVT730VURGF
(4) في المرحلة من 4 إلى 1 (مرحلة صمام العادم) تنخفض درجة الحرارة من T4 إلى T1 وينخفض
الضغط نتيجة لفتح صمام العادم كما شرحنا سابقا ويعود الضغط إلى الضغط الجوي ويفقد النظام
كمية حرارة Qc
ومن الواضح فإن للعمليتين الإيسوباركتين 5 إلى 1 (مرحلة العادم) و1 إلى 5 (مرحلة الآخذ)
تلاشي كل منهما الأخرى .
وتشمل عمليتان من العمليات الأربع الباقية على تدفق حراري يحدث امتصاص بطاقة حرارية Qh
عند درجة عالية أثناء المرحلة من 2 إلى 3 ، في حين تنبعث طاقة حرارية Qc عند درجة حرارة
أقل أثناء المرحلة من 4 إلى 1.
ثانيا : إيجاد الكفاءة للمحرك Thermal Efficiency:
لإيجاد الكفاءة لهذه الدورة سنقوم بإيجاد كمية الحرارة المكتسبة Qh وكمية الحرارة المفقودة Qc.
وحيث أن هاتان العمليتان تتمان عند حجم ثابت فإن كمية الحرارة المكتسبة هي :
http://www.9q9q.org/index.php?image=Sci240851543yU
وتكون كمية الحرارة المفقودة هي (قد تم عكس حدود التكامل لتكون النتيجة موجبة) :
http://www.9q9q.org/index.php?image=apvstr41zijh0w
وبالتعويض في قانون الكفاءة تكون النتيجة :
http://www.9q9q.org/index.php?image=JY8fgeZywAc9mH
وبطرح هاتان المعادلتان من بعضهما البعض :
http://www.9q9q.org/index.php?image=m1BKLJ41zLMkwr & http://www.9q9q.org/index.php?image=m1BQRPlJHdFBIH
نحصل على :
http://www.9q9q.org/index.php?image=WgmghfmKI06ZlH
إذا افترضنا أن V1/V2 تساوي r وهي نسبة الانضغاط أو نسبة التمدد compression ratio
فإن الكفاءة تعطى بالعلاقة :
http://www.9q9q.org/index.php?image=q9FAB9MljbEami
ومن المعروف أن في أية ماكينة جازولين حقيقية (r) لا يمكن أن تكون أكبر من 10 .
لأنه إذا كانت (r) أكبر من10 فإن ارتفاع درجة الحرارة بسبب انضغاط خليط الجازولين والهواء
يكون ارتفاعا كبيرا بحيث يحدث الانفجار قبل حدوث الشرارة وتسمى هذه الظاهرة
بتقدم الاشتعال ( Resignation) .
ومن الواضح أن ماكينة الجازولين الحقيقية تحتوي جميع المشاكل المؤلفة مثل التعجيل والدوامية
والتوصيل الحراري بسبب الفرق في درجات الحرارة بحيث تجعل الكفاءة أقل من كفاءة دورة أتو
(air-standard or atto cycle )
-------------------------
THE REFERENCE BOOK :
1-HEAT AND THERMODYNAMICS
2- FUNDAMENTALS OF PHYSICS
3- PHYSICS FOR SCIENTISTS AND ENGINEERS
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
أتعرفون ما هذه الصورة..??
http://www.9q9q.org/index.php?image=6ntWXVhEDiGDMk
انه محرك ميكانيكي.. ولكي أقترب أكثر ..فإن هذا محرك الجازولين..
بالفعل إنه يشبهه..
دعونا ندخل في موضوعنا ..
وفي البدء سأتحدث قليلا عن الهدف من وجود المحركات الحرارية..
فهي تعتبر من أهم العوامل التي ساعدت على تطور حياتنا العملية..
ويظهر ذلك جليا في استخدامنا للسيارات والطيارات..وغيرها من وسائل النقل الحديثة..
لكن ما هي هذه المحركات..؟ وكيف يتم عملها..؟
هذا ما نحن بصدد شرحه أللآن..
وقبل أن أدخل في مكائن الاحتراق أود أن أذكر الغرض الذي صممت لأجله..
ألا وهو : إعطاء شغل مستمر وذلك بتكرار الدورة
وأن صافي الشغل في الدورة هو ما يخرج من الماكينة (Out put) ويدعى بالشغل الناتج .
والحرارة الممتصة تعرف بــ (input).
وبشكل عام فالمحركات الحرارية تعمل عل تحويل الطاقة إلى شغل..
* مكائن الاحتراق الداخلي : (internal combustion Engines)
في هذا النوع يقوم الغاز أو الخليط من الغازات بانجاز دورة تؤثر على المكبس الذي يؤدي بدوره
على محور الدوران (Shaft) وتكون الحركة في اتجاه معاكس لاتجاه القوة.
ويتطلب هذا النظام رفع درجة الحرارة وكذلك زيادة الضغط..ويتم ذلك بواسطة تفاعل كيميائي بين
الوقود وبين المواد داخل الإسطوانه نفسها..ومثال ذلك ماكينة الجازولين وماكينة الديزل..
دعونا الآن نتعمق أكثر..ماهي ماكينة الجازولين..؟
وكيف تعمل مثل هذه المكائن..؟و هل هي مكينة مثالية ..أم لا..؟
هذا ما سنوضحه في الفقرة التالية.
*ماكينة الجازولين : (Gasoline Engine)
http://www.9q9q.org/index.php?image=N4dEFD1YXYxTID
تتكون الدورة في ماكينة الجازولين من ست عمليات أربع منها تتطلب حركة المكبس
( وهي الموضحة في الصورة أعلاه ) وتسمى " الضربات " ومن خلال تتبع الخطوات
(من اليسار إلى اليمين ) في الصورة السابقة يمكنني تعريفها كما يلي :
1. ضربة السحب intake stroke :
ويتم فيها سحب خليط من بخار الجازولين والهواء (الضغط والحجم ثابت)
2. ضربة الانضغاط compression stroke :
وفيها يضغط خليط بخار الجازولين والهواء حتى يرتفع الضغط ودرجة الحرارة بشكل ملحوظ.
( الضغط يزيد بينما الحجم يقل)..
3. الانفجار أو الاحتراق explosion :
يتم احتراق الخليط بسرعة كبيرة جدا وذلك بواسطة شرارة كهربائية ويصحب هذا الاحتراق
(ضغط عال جدا وارتفاع كبير بدرجة الحرارة دون حدوث تغير في الحجم)..
4. ضربة القدرة power stroke) Ignition ) :
تتمدد نواتج الاحتراق وتدفع المكبس ومن ثم يحدث( انخفاض في كل من الضغط ودرجة الحرارة بينما الحجم يزيد )
5. صمام الفاقد valve exhaust :
تظل نواتج الاحتراق في نهاية ضربة القدرة عند درجة حرارة وضغط أكبر من درجة الحرارة
والضغط خارج الاسطوانة وعند ذلك يفتح صمام الفاقد ويسمح بتسريب بعض نواتج الاحتراق وبذلك
( ينخفض الضغط إلى أن يصبح مساويا للضغط الجوي بينما الحجم ثابت )
6. ضربة الفاقد exhaust stroke :
في هذه الضربة يطرد المكبس معظم نواتج الاحتراق خارج الاسطوانة محدثا ضغطا يفوق
الضغط الجوي بكثير.
وهذا صورة توضح أكثر ما يحدث وسيسهل علينا فهمها عندما نتتبع الأسهم..
http://www.9q9q.org/index.php?image=m1BuvtGediHduQ
أما الآن فعلي التخلص من عدة أشياء في ماكينة الجازولين حتى يسهل علينا تحليلها رياضيا..
وذلك بفرض شروط مثاليه أهمها:
1. أن المادة الفعالة في جميع الحالات هي الهواء الذي يسلك سلوك الغاز المثالي ذي سعة حرارية ثابتة .
2. أن جميع العمليات هي كوازى ستاتيكيا (Quasi-static ).
3. ليس هناك احتكاك.
وعلى أساس هذه الافتراضات..
ووفقا للضربات التي تحدثنا عنها سنرسم بيان هذه العملية لمحوري الحجم والضغط..
( أنظر إلى مابين الأقواس في الشرح السابق وستستطيع بسهولة رسم هذه العملية )
http://www.9q9q.org/index.php?image=JY8NOMwuSbbaGg
أتلاحظون : بيان هذه العملية مشابه لدورة أتو ..
إذن أستطيع أن أطبق دورة أتو على محرك الجازولين..
الآن دعونا نوضح معالم هذه الرسمة كي نوجد الكفاءة لها..
أولا : من المراحل الستة على منحنى الضغط والحجم نحصل على :
(1) في المرحلة من 1 إلى 2 ( مرحلة الانضغاط ) تمثل ضغط للغاز في عملية اديباتيكية يقل الحجم
من V1 إلى V2 وترتفع درجةالحرارة من T1 إلى T2 وذلك من خلال المعادلة :
http://www.9q9q.org/index.php?image=p7EKLJxvTwUsie
(2) في العملية من 2 إلى 3 (مرحلة الاحتراق) يزداد كلاً من الضغط ودرجة الحرارة من T2 إلى T3
ويمتص النظام كمية حرارة من الاشتعال Qh.
(3) في المرحلة من 3 إلى 4 (مرحلة القوة) تمثل تمدد للغاز في عملية اديباتيكية يزداد الحجم من V2
إلى V1 وتقل درجة الحرارة من T3 إلى T4 وذلك من خلال المعادلة :
http://www.9q9q.org/index.php?image=rAGUVT730VURGF
(4) في المرحلة من 4 إلى 1 (مرحلة صمام العادم) تنخفض درجة الحرارة من T4 إلى T1 وينخفض
الضغط نتيجة لفتح صمام العادم كما شرحنا سابقا ويعود الضغط إلى الضغط الجوي ويفقد النظام
كمية حرارة Qc
ومن الواضح فإن للعمليتين الإيسوباركتين 5 إلى 1 (مرحلة العادم) و1 إلى 5 (مرحلة الآخذ)
تلاشي كل منهما الأخرى .
وتشمل عمليتان من العمليات الأربع الباقية على تدفق حراري يحدث امتصاص بطاقة حرارية Qh
عند درجة عالية أثناء المرحلة من 2 إلى 3 ، في حين تنبعث طاقة حرارية Qc عند درجة حرارة
أقل أثناء المرحلة من 4 إلى 1.
ثانيا : إيجاد الكفاءة للمحرك Thermal Efficiency:
لإيجاد الكفاءة لهذه الدورة سنقوم بإيجاد كمية الحرارة المكتسبة Qh وكمية الحرارة المفقودة Qc.
وحيث أن هاتان العمليتان تتمان عند حجم ثابت فإن كمية الحرارة المكتسبة هي :
http://www.9q9q.org/index.php?image=Sci240851543yU
وتكون كمية الحرارة المفقودة هي (قد تم عكس حدود التكامل لتكون النتيجة موجبة) :
http://www.9q9q.org/index.php?image=apvstr41zijh0w
وبالتعويض في قانون الكفاءة تكون النتيجة :
http://www.9q9q.org/index.php?image=JY8fgeZywAc9mH
وبطرح هاتان المعادلتان من بعضهما البعض :
http://www.9q9q.org/index.php?image=m1BKLJ41zLMkwr & http://www.9q9q.org/index.php?image=m1BQRPlJHdFBIH
نحصل على :
http://www.9q9q.org/index.php?image=WgmghfmKI06ZlH
إذا افترضنا أن V1/V2 تساوي r وهي نسبة الانضغاط أو نسبة التمدد compression ratio
فإن الكفاءة تعطى بالعلاقة :
http://www.9q9q.org/index.php?image=q9FAB9MljbEami
ومن المعروف أن في أية ماكينة جازولين حقيقية (r) لا يمكن أن تكون أكبر من 10 .
لأنه إذا كانت (r) أكبر من10 فإن ارتفاع درجة الحرارة بسبب انضغاط خليط الجازولين والهواء
يكون ارتفاعا كبيرا بحيث يحدث الانفجار قبل حدوث الشرارة وتسمى هذه الظاهرة
بتقدم الاشتعال ( Resignation) .
ومن الواضح أن ماكينة الجازولين الحقيقية تحتوي جميع المشاكل المؤلفة مثل التعجيل والدوامية
والتوصيل الحراري بسبب الفرق في درجات الحرارة بحيث تجعل الكفاءة أقل من كفاءة دورة أتو
(air-standard or atto cycle )
-------------------------
THE REFERENCE BOOK :
1-HEAT AND THERMODYNAMICS
2- FUNDAMENTALS OF PHYSICS
3- PHYSICS FOR SCIENTISTS AND ENGINEERS
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,