ម៉ាស៊ីន (ភាគ១)

ម៉ូទ័រដែលយើងឃើញពេញដងផ្លូវ (រថយន្ត ម៉ូតូ ឡានដឹកទំនិញ) ហៅថា ម៉ូទ័រកម្តៅ ។ វាដើរដោយប្រេងសាំង ប្រេងម៉ាស៊ូត ប្រេងកាត ឬឧស្ម័ន ហើយស្រូបយកកម្តៅពីចងក្តៅ ដើម្បីធ្វើកម្មន្ត ។ [UNCLEAR: ឃ្លាភ្ជាប់រវាង «ម៉ូទ័រកម្តៅ» និងបញ្ជីប្រេង — អក្សរព្រិល]

គេចែកម៉ូទ័រកម្តៅជាពីរប្រភេទ តាមកន្លែងដែលកម្តៅកើតឡើង ៖

• ចំហេះក្រៅ — កម្តៅកើតឡើងនៅខាងក្រៅស៊ីឡាំង ហើយចំហាយទឹក ឬឧស្ម័នក្តៅត្រូវបញ្ជូនចូលទៅរុញពីស្តុង ។ ឧទាហរណ៍ ៖ ម៉ូទ័រចំហាយទឹក ទួរប៊ីនចំហាយ ។ [UNCLEAR: ពាក្យបន្ត — អក្សរព្រិល]
• ចំហេះក្នុង — កម្តៅកើតឡើងនៅក្នុងស៊ីឡាំងផ្ទាល់ ព្រោះល្បាយឥន្ធនៈឆេះនៅទីនោះ ។ ឧទាហរណ៍ ៖ ម៉ូទ័រសាំង ម៉ូទ័រម៉ាស៊ូត ។ [UNCLEAR: ចុងបញ្ចប់នៃប្រយោគ — អក្សរព្រិល]

ដូច្នេះម៉ាស៊ីនសាំងជាម៉ូទ័រចំហេះក្នុង ៖ ខ្យល់ដែលលាយជាមួយចំហាយប្រេងសាំងត្រូវបញ្ជូលទៅក្នុងបន្ទប់ចំហេះ ។ ក្នុងម៉ូទ័រម៉ាស៊ូត ឥន្ធនៈគឺប្រេងម៉ាស៊ូត ដែលគេចាក់ចូលក្រោយពេលខ្យល់ក្តៅត្រូវបានបណ្តុះយ៉ាងខ្លាំង ហើយវាផ្ទុះដោយខ្លួនឯង ។

ដាក់ទឹកក្តៅក្នុងដបទែម៉ូសហើយបិទគម្របជិត ។ ទឹកក្នុងដបមិនបូរកម្តៅជាមួយខាងក្រៅទេ ព្រោះសំបកទែម៉ូសជាអង្គធាតុអ៊ីសូឡង់ ។ បើទឹកនោះរីកមាឌរុញគម្របឡើង វាបំពេញកម្មន្តដោយ គ្មានកម្តៅចេញចូល ។ លំនាំបែបនេះហៅថា លំនាំអាដ្យាបាទិច ។

សង្កេតឃើញថា ៖ ឧស្ម័នរីកមាឌដោយអាដ្យាបាទិច នោះវាធ្វើកម្មន្តដោយប្រើថាមពលក្នុងរបស់ខ្លួនឯង ដូច្នេះថាមពលក្នុង ថយ ហើយឧស្ម័ន ត្រជាក់ ចុះ ។ ផ្ទុយមកវិញ បើគេបណ្តុះឧស្ម័នយ៉ាងលឿន កម្មន្តដែលធ្វើលើឧស្ម័នក្លាយជាថាមពលក្នុង ដូច្នេះឧស្ម័ន ក្តៅ ឡើង ។ នេះជាហេតុដែលខ្យល់ក្នុងស៊ីឡាងម៉ាស៊ូតក្តៅខ្លាំងពេលបណ្តុះ ។

សាឌី កាកណូ (Sadi Carnot, 1796–1832) ជារូបវិទូជនជាតិបារាំង ដែលបានដាក់មូលដ្ឋានគ្រឹះនៃទែរម៉ូឌីណាមិច ។ នៅឆ្នាំ 1824 គាត់បានបង្កើតគំនិតម៉ាស៊ីនមួយ (ហៅថា ម៉ាស៊ីនកាកណូ) ដែលមានសារៈសំខាន់យ៉ាងខ្លាំងទាំងផ្នែកទ្រឹស្តីនិងការអនុវត្ត ។ ម៉ាស៊ីនកាកណូជា ម៉ាស៊ីនអ៊ីដេអាល់ ដែលមានទីន្នផលខ្ពស់បំផុត ពេលវាស្រូបកម្តៅពីចងក្តៅ $T_h$ ហើយនាំកម្តៅទៅចងត្រជាក់ $T_C$ ។

ស្រមៃថាមានស៊ីឡាំងមួយដាក់ខ្យល់នៅក្នុង មានពីស្តុងចល័តបាន ហើយគេលើកស៊ីឡាំងនោះទៅប៉ះធុងផ្សេងៗគ្នា ៖

១. ដាក់លើ ចងក្តៅ $T_h$ ៖ ខ្យល់រីកមាឌតាមលំនាំអ៊ីសូទែម (សីតុណ្ហភាពថេរ) ។ នេះជាខ្សែកោង $AB$ ។

២. ដាក់លើ ទ្រនាប់អ៊ីសូឡង់ ៖ ខ្យល់បន្តរីកមាឌតាមលំនាំអាដ្យាបាទិច ហើយសម្ពាធថយយ៉ាងខ្លាំង ។ នេះជាខ្សែកោង $BC$ ។

៣. ដាក់លើ ចងត្រជាក់ $T_C$ ៖ ខ្យល់បញ្ចេញកម្តៅ $Q_C$ ហើយរួមមាឌតាមលំនាំអ៊ីសូទែម ។ នេះជាខ្សែកោង $CD$ ។

៤. ដាក់លើ ទ្រនាប់អ៊ីសូឡង់ ម្តងទៀត ៖ ខ្យល់ត្រូវបណ្តុះតាមលំនាំអាដ្យាបាទិច រហូតត្រឡប់មកស្ថានភាពដើមវិញ ។ នេះជាខ្សែកោង $DA$ ។

ដូច្នេះម៉ាស៊ីនត្រូវបញ្ឈប់កម្មន្តរៅ [UNCLEAR: ឃ្លាភ្ជាប់ — អក្សរស្តើង] ក្នុងរយៈពេលនៃរយៈការព្រីក និងត្រឡប់ទៅស្ថានភាពដើមវិញ ។

ជាទូទៅម៉ូទ័រមានស៊ីឡាំងច្រើន ។ ស៊ីឡាំងនីមួយៗមាន ពីស្តុង មួយដែលធ្វើចលនាឡើងលើចុះក្រោមបាន ហើយមាន ស្នប់ ពីរនៅលើក្បាលស៊ីឡាំង ៖ ស្នប់ស្រូប (ខ្យល់ចូល) និងស្នប់បញ្ចេញ (ឧស្ម័នចេញ) ។ កម្មន្តកើតឡើងដោយសារការឆេះល្បាយសាំង-ខ្យល់ ។

នៅចុងវគ្គទី ៤ ពីស្តុងត្រឡប់មកទីតាំងដើមវិញ ។ ដំណើរការទាំងបួនវគ្គនេះបង្កើតបានជា មួយស៊ីច ។ វគ្គទាំងបួននៃម៉ូទ័របន្ទុះបួនវគ្គរបស់ម៉ាស៊ីនសាំង ៖

• វគ្គទី ១ វគ្គស្រូប — គេបើកស្នប់ស្រូប ហើយពីស្តុងធ្វើចលនាចុះក្រោម ។ ពីស្តុងស្រូបល្បាយសាំង-ខ្យល់ ដែលលាយយ៉ាងត្រឹមត្រូវនៅក្នុងកាប៊ុយរ៉ាទ័រ បញ្ចូលទៅក្នុងស៊ីឡាំង ។ នៅក្នុងដ្យាក្រាម $P$-$V$ តាងដោយខ្សែកោង $AB$ ។
• វគ្គទី ២ វគ្គបណ្តុះ — គេបិទស្នប់ស្រូប ហើយពីស្តុងធ្វើដំណើរឡើងវិញ ។ ល្បាយក្នុងស៊ីឡាំងរួមមាឌពី $V_1$ មក $V_2$ ។ នៅចុងវគ្គទី ២ សម្ពាធមានតម្លៃប្រហែល 10 អាត់ម៉ូស្វែរ ។
• វគ្គទី ៣ វគ្គបន្ទុះ — នៅចុងវគ្គទី ២ ប៊ូស៊ីបញ្ចេញផ្កាភ្លើងរាងអណ្តាតភ្លើង ឆេះល្បាយនោះ ហើយផ្ទុះយ៉ាងខ្លាំង ។ សីតុណ្ហភាពកើនឡើងយ៉ាងរហ័ស (ប្រហែល $2000^{\circ }\mathrm{C}$) ជាហេតុធ្វើឲ្យសម្ពាធកើនឡើងយ៉ាងខ្លាំង (ប្រហែល $25\times 10^{5}atm$) ។ ខ្យល់រុញពីស្តុងចុះក្រោមយ៉ាងខ្លាំង ។ នៅចុងវគ្គនេះ សម្ពាធមានតម្លៃប្រហែល 2 ដល់ $3\times 10^{5}atm$ និងសីតុណ្ហភាពប្រហែល $800^{\circ }\mathrm{C}$ ។
• វគ្គទី ៤ វគ្គបញ្ចេញ — គេបើកស្នប់បញ្ចេញ ពីស្តុងធ្វើដំណើរឡើងលើ ហើយច្រានខ្យល់ចេញពីស៊ីឡាំងទៅក្នុងបរិយាកាស ។ នៅចុងវគ្គនេះ ស្នប់បញ្ចេញក៏បិទ ស្នប់ស្រូបក៏បើក ហើយស៊ីចថ្មីចាប់ផ្តើម ។

ក្នុងចំណោមវគ្គទាំងបួន មានតែ វគ្គទី ៣ ទេដែលបង្កើតកម្មន្តមេកានិច ។ ក្នុងវគ្គនេះ ថាមពលស៊ីនេទិចនៃការផ្ទុះត្រូវប្រែទៅជាថាមពលស៊ីនេទិចនៃពីស្តុង ។ ហេតុការណ៍នេះបង្ហាញថា ក្នុងម៉ូទ័រ កម្តៅបានប្រែក្លាយជាថាមពលស៊ីនេទិច តាមរយៈខ្យល់ដែលដើរតួជាអ្នកផ្ទុក ។

ម៉ូទ័រតូចៗជាច្រើន (ម៉ូតូ ម៉ាស៊ីនកាត់ស្មៅ) ប្រើ ម៉ូទ័របន្ទុះពីរវគ្គ ។ ក្នុងម៉ូទ័រនេះ ស៊ីឡាំងមានរន្ធបញ្ចូលនិងរន្ធបញ្ចេញនៅលើជញ្ជាំង ហើយពីស្តុងបើកបិទរន្ធទាំងនោះដោយខ្លួនឯង ។ គេប្រើសាំងលាយប្រេងម៉ាស៊ីន ។

វគ្គទាំងពីរនៃស៊ីច ៖

• វគ្គទី ១ ៖ បញ្ចូលនិងបន្ទុះ — ពីស្តុងធ្វើដំណើរពីទីទាបឡើងលើ ។ ល្បាយ (ចំហាយសាំង-ខ្យល់) មួយភាគត្រូវរួមចូលក្នុងបន្ទប់ចំហេះ ហើយពីស្តុងរុញវាឡើង ។ ពេលល្បាយឡើងដល់ចំណុចខ្ពស់បំផុត ប៊ូស៊ីបញ្ចេញផ្កាភ្លើង ធ្វើឲ្យល្បាយផ្ទុះ ។
• វគ្គទី ២ ៖ ស្រូបបញ្ចូលនិងបញ្ចេញ — ពីស្តុងផ្លាស់ចុះក្រោម ហើយពេលចុះដល់ចំណុចកំណត់ វាបើករន្ធបញ្ចេញ ។ ឧស្ម័នសល់ពីការផ្ទុះក៏ហូរចេញក្រៅ ហើយល្បាយថ្មីចូលមកជំនួស ។ [UNCLEAR: ចុងបញ្ចប់នៃកថាខណ្ឌ — អក្សរត្រូវបានកាត់ដោយគែមទំព័រ]

ប្រព័ន្ធត្រូវបានចាត់ជាប្រព័ន្ធដែលមិនចាក់ចេញ និងមជ្ឈដ្ឋានក្រៅ ដូច្នេះថាមពលកម្តៅរបស់វាមិនប្រែប្រួលទេ ។ លំនាំខ្លះកើតឡើងដោយស្រួលក្នុងចំណុះកម្តៅ ដូចជានៅក្នុងបន្ទប់ដែលព័ទ្ធជុំវិញដោយអង្គធាតុអ៊ីសូឡង់ ។ លំនាំបែបនេះហៅថា លំនាំអាដ្យាបាទិច ។

លំនាំអាដ្យាបាទិច គឺជាលំនាំមួយដែលថាមពលកម្តៅ $\Delta Q$ មិនបូរជាមួយមជ្ឈដ្ឋានក្រៅ ។

អនុវត្តន៍ច្បាប់ទី ១ នៃទែរម៉ូឌីណាមិច លើលំនាំអាដ្យាបាទិច យើងបាន $\Delta Q=0$ ដូច្នេះកម្មន្តស្មើនឹងដកបម្រែបម្រួលថាមពលក្នុង ៖ $W=-\Delta U$ ។ មានន័យថា ៖

• បើឧស្ម័នរីកមាឌ ($W>0$) នោះ $\Delta U<0$ គឺថាមពលក្នុងថយ ហើយឧស្ម័នត្រជាក់ ។
• បើគេបណ្តុះឧស្ម័ន ($W<0$) នោះ $\Delta U>0$ គឺថាមពលក្នុងកើន ហើយឧស្ម័នក្តៅ ។

ក្នុងស៊ីឡាំងមួយមានខ្យល់ និងមានពីស្តុងមួយដែលអាចចល័តបាន ។ គេយកស៊ីឡាំងនោះទៅប៉ះធុងដែលមានសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ $T_h$ ។ ខ្យល់ក្នុងស៊ីឡាំងទទួលកម្តៅ ហើយរីកមាឌតាម លំនាំអ៊ីសូទែម ដោយសម្ពាធថយ ។ តំណាក់កាលទី ១ នៃវដ្តកាកណូ តាងដោយខ្សែកោង $AB$ នៅលើដ្យាក្រាម $P$-$V$ (រូបទី 3.3) ។ កម្តៅដែលខ្យល់ស្រូបក្នុងតំណាក់កាលនេះគឺ $Q_h$ ។

នៅតំណាក់កាលទី ៣ គេលើកស៊ីឡាំងពីទ្រនាប់អ៊ីសូឡង់ ទៅដាក់លើធុងដែលមានសីតុណ្ហភាពទាប $T_C$ ។ ខ្យល់ក្នុងស៊ីឡាំង បញ្ចេញបរិមាណកម្តៅ $Q_C$ ហើយពីស្តុងផ្លាស់ទីចុះក្រោមដោយសង្កត់លើខ្យល់ ។ ដូច្នេះខ្យល់រួមមាឌតាម លំនាំអ៊ីសូទែម ដែលតាងដោយខ្សែកោង $CD$ ។

$Q_h$ គឺជា បរិមាណកម្តៅដែលផ្ទេរដោយចងក្តៅ ទៅឲ្យឧស្ម័នក្នុងរយៈពេលមួយស៊ីច ។ ឯកតារបស់វាគឺ J (ហ្សូល) ។ $Q_h$ ជាកម្តៅ ចូល ដូច្នេះវាមានសញ្ញាវិជ្ជមានក្នុងការគណនា ។

$Q_C$ គឺជា បរិមាណកម្តៅដែលស្រូបដោយចងត្រជាក់ ពីឧស្ម័នក្នុងរយៈពេលមួយស៊ីច ។ ឯកតារបស់វាគឺ J ។ កម្តៅនេះជាកម្តៅ ចេញ ពីប្រព័ន្ធ ដូច្នេះវាជាការបាត់បង់សម្រាប់ម៉ាស៊ីន ។

ចំពោះម៉ាស៊ីនប្រើកម្តៅដែលដាក់ដំណើរការនៅចន្លោះធុងកម្តៅពីរ នោះ ទីន្នផលកម្តៅមានតម្លៃអតិបរមា កាលណាម៉ាស៊ីនស៊ីចរីវើស៊ីប (គឺជាម៉ាស៊ីនកាកណូ) ។

ក្នុងករណីនេះ ទីន្នផលកម្តៅអតិបរមានោះ មិនអាស្រ័យនឹងប្រភេទនៃស៊ីចរីវើស៊ីបទេ ។ ម៉ាស៊ីនអ៊ីដេអាល់ណាក៏ដោយ ដែលដើរនៅចន្លោះសីតុណ្ហភាពពីរដូចគ្នា មានទីន្នផលដូចគ្នា ។

ទីន្នផលនោះ អាស្រ័យតែសីតុណ្ហភាពដាច់ខាត $T_h$ នៃប្រភពក្តៅ និង $T_C$ នៃប្រភពត្រជាក់ ប៉ុណ្ណោះ ។ វាមិនអាស្រ័យនឹងលក្ខណៈនៃចំហាយផ្ទុក (ឧស្ម័នអ្វី មានប៉ុន្មានម៉ូល) ទេ ។

ទីន្នផលកម្តៅ គឺជាប្រភាគនៃកម្តៅដែលម៉ាស៊ីនស្រូប ហើយប្រែបានជាកម្មន្ត ។ គេតាងដោយ $e_C$ (ឬ $e$ ធម្មតា) ។ វាជាចំនួន គ្មានឯកតា ហើយគេសរសេរជាភាគរយ (%) ក៏បាន ។ សម្រាប់ម៉ាស៊ីនកាកណូ ៖

$$e_C=\frac{T_h-T_C}{T_h}=1-\frac{T_C}{T_h}$$

ដែល $T_C$ និង $T_h$ គិតជា $K$ ។

អត្រាបណ្តុះ គឺជាផលធៀប $\frac{V_1}{V_2}$ រវាងមាឌ $V_1$ មុនបណ្តុះ (ចុងវគ្គស្រូប) និងមាឌ $V_2$ ក្រោយបណ្តុះ (ចុងវគ្គបណ្តុះ) ។ វាជាចំនួនគ្មានឯកតា ហើយសម្រាប់ម៉ាស៊ីនសាំងវាមានតម្លៃ ប្រហែល 6 ដល់ 8 ។ នៅចុងវគ្គទី ២ សម្ពាធកើនដល់ប្រហែល 10 អាត់ម៉ូស្វែរ ។

មាឌបានការ គឺជាផលសង $V_1-V_2$ រវាងមាឌធំបំផុតនិងមាឌតូចបំផុតនៃស៊ីឡាំង ។ វាជាមាឌដែលពីស្តុងរុញចេញក្នុងមួយវគ្គ ។ សម្រាប់ម៉ាស៊ីនសាំង វាមានតម្លៃប្រហែល $0.25\ell$ ដល់ $0.75\ell$ ។

ក្នុងរយៈពេលដំណើរការ ការឆេះល្បាយឧស្ម័នក្នុងស៊ីឡាំងផ្តល់កម្តៅ $Q_h$ ។ ភាគច្រើននៃកម្តៅនោះក្លាយជា កម្មន្តមេកានិច $W_M$ ដែលរុញពីស្តុងឲ្យផ្លាស់ទី ហើយកម្តៅមួយភាគទៀត $Q_C$ បញ្ចេញទៅបរិស្ថានត្រជាក់និងបរិយាកាសខាងក្រៅ ។

តែម៉ាស៊ីនទទួលបានតែ កម្មន្តបានការ $W_U$ ប៉ុណ្ណោះ ដោយសារកកិត ៖ $W_U<W_M$ ។ ឯកតារបស់ $W_U$ និង $W_M$ គឺ J (ក្នុងសៀវភៅគេប្រើខ្លះ kJ) ។

ទីន្នផលកម្តៅ ជាផលធៀបរវាងកម្មន្តមេកានិច $W_M$ និងបរិមាណកម្តៅ $Q_h$ ដែលបញ្ចេញដោយចំហេះ ៖

$$e_C=\frac{W_M}{Q_h}$$

ចំពោះម៉ូទ័រប្រើសាំង ទីន្នផលនេះមានតម្លៃ អតិបរមា 35 % ។