حرارتی انجن

حرحرکیات اور انجینئرنگ میں حرارتی انجن ایک ایسا نظام ہے جو حرارت کو قابل استعمال توانائی میں تبدیل کرتا ہے، خاص طور پر میکانی توانائی میں، جسے پھر میکانی کام کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ^[1] ^[2]

حرارتی انجن کا تصور اصل میں میکانی یا مکینیکل توانائی کے تناظر میں لیا گیا تھا۔ حرارتی انجن کا تصور کم از کم 19ویں صدی کے اواخر سے مختلف قسم کی توانائیوں، خاص طور پر برقی توانائی پر بھی لاگو ہوتا رہا ہے۔ حرارتی انجن کام کرنے والے مادے کو اعلی سطح کے درجہ حرارت سے کم سطح کے درجہ حرارت پر لا کر کام انجام دیتا ہے۔ کام کرنے والا مادہ انجن کے کام کرنے والے جسم میں کام پیدا کرتا ہے جبکہ حرارت کو ٹھنڈے سنک میں منتقل کرتا ہے جب تک کہ یہ کم سے کم درجہ حرارت کی حالت تک نہ پہنچ جائے۔ اس عمل کے دوران، کچھ حرارت عام طور پر اردگرد کی فضا میں ضائع ہو جاتی ہے اور کام میں تبدیل نہیں ہوتی۔ نیز، کچھ توانائی رگڑ اور گھسیٹ (dragging) کی وجہ سے ناقابل استعمال ہوجاتی ہے۔

عام طور پر، انجن کوئی بھی مشین ہے جو حرارتی توانائی کو میکانکی کام میں تبدیل کرتی ہے۔ حرارت کے انجن دوسرے قسم کے انجنوں سے اس طرح ممتاز ہیں کہ ان کی کارکردگی بنیادی طور پر کارنو کے نظریے تک محدود ہے۔ ^[3] اگرچہ کارکردگی کی یہ تحدید ایک نقص بھی تصور کیا جا سکتا ہے، لیکن حرارت کے انجنوں کا ایک فائدہ یہ ہے کہ توانائی کی زیادہ تر شکلوں کو آسانی سے حرارت میں تبدیل کیا جا سکتا ہے جیسے کہ حرارت زا تعامل (جیسے احتراق)، جوہری انشقاق، روشنی یا توانائی بخش ذرات کا انجذاب ان کی رگڑ، کھپت اور مزاحمت۔ چونکہ حرارت کا ذریعہ جو انجن کو حرارتی توانائی فراہم کرتا ہے اس طرح سے عملی طور پر کسی بھی قسم کی توانائی سے چلایا جا سکتا ہے، اس لیے حرارتی انجن وسیع پیمانے پر ایپلی کیشنز کا احاطہ کرتے ہیں۔

اکثر حرارتی انجن اور چکر/سائیکلز میں ابہام پیدا ہوتا ہے، جو حرارتی انجن میں حرارت کا راستہ دکھاتے ہیں۔ عام طور پر، "انجن" کی اصطلاح مرئی آلات کے لیے استعمال ہوتی ہے اور حرارتی توانائی کے تصوراتی راستے کے لیے "سائیکل یا چکر" کی اصطلاح استعمال ہوتی ہے۔

حرارتی انجنوں کی اقسام

حرارتی انجن دو قسم کے ہوتے ہیں۔

١۔ اندرونی احتراقی انجن

٢۔ بیرونی احتراقی انجن

اندرونی احتراقی انجن

ایسا انجن جس میں پسٹن کو حرکت دینے والا سیال (گرم ہوا) ایندھن کے اندرونی احتراق کے نتیجے میں بنتی ہے اندرونی احتراقی انجن کہلاتا ہے۔ پیٹرول، گیس اور ڈیزل انجن جو گاڑیوں اور جہازوں میں لگے ہوتے ہیں وہ اندرونی احتراقی انجن ہوتے ہیں جن میں ایندھن (پیٹرول، گیس یا ڈیزل) سلنڈر کے اندر جلتا ہے۔

بیرونی احتراقی انجن

بیرونی احتراقی انجن وہ انجن جسے سلنڈر کے باہر ایندھن کے احتراق سے حرارتی توانائی فراہم کی جاتی ہے یا ایسا انجن جس میں پسٹن کو حرکت دینے والا سیال (عام طور پر بھاپ) سلنڈر کے باہر ایندھن کو جلاکر پانی کو گرم کرکے سلنڈر میں استعمال کیا جاتا ہے۔ اس میں پسٹن کو حرکت دینے والا سیال (عام طور پر پانی) بیرونی خانے میں ایندھن (کوئلہ، تیل، لکڑی) کو جلا کر گرم کیا جاتا ہے۔ بھاپ کے ریلوے انجن، بھاپ کے ٹربائن اور بھاپ کے اسٹیمر اندرونی احتراقی انجن پر مشتمل ہوتے ہیں۔

جائزہ

حرحرکیات میں، حرارتی انجن اکثر معیاری انجینئرنگ ماڈل جیسے اوٹو سائیکل کا استعمال کرتے ہوئے بنائے جاتے ہیں۔ نظریاتی ماڈل کو عملی انجن کے اصل اعداد و شمار کے ساتھ دیگر آلات جیسے کہ اشارے کے خاکے کا استعمال کرتے ہوئے، بہتر کیا جا سکتا ہے۔ چونکہ حرارت کے انجن کے بہت کم حقیقی اطلاق ان کے بنیادی حرحرکیاتی چکروں سے بالکل مماثل ہیں اس لیے ہم کہہ سکتے ہیں کہ حرحرکیاتی چکر مکینیکل انجن کا ایک مثالی معاملہ ہے جو عملی طور ممکن نہیں ہے۔ مگر انجن اور اس کی کارکردگی کو مکمل طور پر سمجھنے کے لیے ممکنہ طور پر مثالی نظریاتی ماڈل، ایک حقیقی مکینیکل انجن کی عملی باریکیوں اور ان دونوں کے درمیان تضادات کی اچھی تفہیم کے لیے ضروری ہے۔

عام اصطلاح میں گرم سرے (حرارتی منبع) اور سرد سرے (حرارتی نکاس) کے درمیان درجہ حرارت میں جتنا بڑا فرق ہوگا، چکر/سائیکل کی ممکنہ حرارتی کارکردگی اتنی ہی زیادہ ہوگی۔ زمین پر کسی بھی ہیٹ انجن کا سرد سرا (سنک) ماحول کے محیطی درجہ حرارت کے قریب ہونے تک محدود ہے، یعنی 300 کیلون سے کم نہیں، اس لیے مختلف ہیٹ انجنوں کی حرحرکیاتی افادیت کو بہتر بنانے کی زیادہ تر کوششیں ماخذ (سورس) میں مادی حدود کے اندر درجہ حرارت کو بڑھانے پر مرکوز ہیں۔

کارکردگی

حرارت کے انجن کی زیادہ سے زیادہ نظریاتی کارکردگی (جو کوئی انجن کبھی حاصل نہیں کرسکتا) گرم اور سرد سروں کے درمیان درجہ حرارت کے فرق کو گرم سرے کے درجہ حرارت سے تقسیم کرنے سے حاصل ہوتا ہے، جبکہ درجہ حرارت کو مطلق درجہ حرارت (کیلون درجہ حرارت) میں لیا جاتا ہے یعنی؛

کارکرگی = (گرم سرے کا درجہ حرارت - سرد سرے کا درجہ حرارت) ÷ گرم سرے کا درجہ حرارت (کیلون)

عام طور پر حرارتی انجنوں کی کارکردگی (حاصل شدہ یا تخمینی) رینج بہت وسیع ہے۔ مثال کے طور پر؛

- سمندر کے پانی کو گرم ذریعے کے طور پر استعمال کرنے والے حرارتی انجنوں کی کارکردگی صرف %3 ہوتی ہے۔

۔ عام گاڑیوں کے پیٹرول انجن کی %25 تک ہوتی ہے۔

۔ کوئلے سے چلنے والے تھرمل پاور اسٹیشن کی %49 تک ہوتی ہے۔

۔ گیس ٹربائن کی %60 تک ہوتی ہے۔

ان سب تعاملات کی کارکردگی ارد گرد کے فضائی ماحول کے درجہ حرارت میں تبدیلی کے ساتھ تبدیل ہوتی رہتی ہیں۔

مثالیں

یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ اگرچہ کچھ چکروں میں احتراق کا ایک مخصوص مقام ہوتا ہے (اندرونی یا بیرونی)، وہ اکثر دوسرے کے ساتھ لاگو کیے جا سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، جان ایرکسن ^[4] نے ایک بیرونی احتراقی انجن تیار کیا جو ابتدائی ڈیزل سائیکل (اندرونی احتراقی انجن کے سائیکل)کی طرح کام کرتا تھا۔ اس کے علاوہ، بیرونی طور پر حرارت دیے جانے والے انجنوں کو اکثر کھلے یا بند چکروں میں لاگو کیا جا سکتا ہے۔ ایک بند سائیکل میں، سائیکل کے مکمل ہونے پر کام کرنے والا سیال دوبارہ انجن کے اندر آجاتا ہے۔ جبکہ ایک کھلے سائیکل میں، اندرونی دہن کے انجن کی صورت میں، کام کرنے والے سیال کو یا تو دہن کی مصنوعات میں تبدیل کرکے نکال دیا جاتا ہے اور بیرونی دہن انجنوں جیسے بھاپ کے انجن اور ٹربائنز کی صورت میں ارد گرد کی فضا میں خارج کر دیا جاتا ہے۔

روزمرہ کی مثالیں۔

حرارتی انجنوں کی روزمرہ کی مثالوں میں تھرمل پاور اسٹیشن، اندرونی دہن انجن، آتشیں اسلحہ، ریفریجریٹرز اور حرارتی پمپ شامل ہیں۔ پاور سٹیشن ایسے حرارتی انجن کی مثال ہے جو آگے کی سمت چلتا ہے جس میں حرارت گرم منبع سے ٹھنڈے نکاس کی طرف بہتی ہے تاکہ کام کو مطلوبہ مصنوعہ کے طور پر پیدا کیا جا سکے۔ ریفریجریٹرز، ایئر کنڈیشنر اور ہیٹ پمپ ان ہیٹ انجنوں کی مثالیں ہیں جو پچھلی سمت میں چلائے جاتے ہیں، یعنی وہ کام کو کم درجہ حرارت پر حرارت کی توانائی لینے اور اس کے درجہ حرارت کو زیادہ موثر انداز میں بڑھانے کے لیے کام کو حرارت میں تبدیل کرنے کے لیے استعمال کرتے ہیں (رگڑ یا برقی مزاحمت کے ذریعے)۔ ریفریجریٹرز کم درجہ حرارت والے مہر بند حجرے (فریج کا اندر کا حصہ) کے اندر سے گرمی کو ہٹاتے ہیں اور زیادہ درجہ حرارت پر فاضل حرارت کو ماحول میں منتقل کرتے ہیں اور حرارتی پمپ اس کا الٹ یعنی کم درجہ حرارت والے ماحول سے گرمی لیتے ہیں اور اسے زیادہ درجہ حرارت پر مہر بند چیمبر (گھروں میں) میں پھیلاتے ہیں۔

عام طور پر ہم کہہ سکتے ہیں کہ حرارت کے انجن، گیس کے قوانین کے مطابق، گیسوں کے پھیلاؤ اور سکڑائو سے وابستہ حرارتی خصوصیات یا گیس اور مائع حالتوں کے درمیان مرحلے کی تبدیلیوں سے وابستہ خصوصیات کا فائدہ اٹھاتے ہیں۔

زمین کا حرارتی انجن

زمین کا کرہ ہوائی اور کرہ آبی—زمین کا حرارتی انجن— وہ مشترکہ عمل ہیں جو پوری دنیا میں شمسی حرارتی عدم توازن کو گرمی کو تقسیم کرتے وقت،

ہیڈلی سیل حرارتی انجن کی ایک اور مثال ہے۔ اس میں زمین کے استوائی خطے میں گرم اور نم ہوا کا اوپر اٹھنا اور زیریں استوائی خطوں میں ٹھنڈی ہوا کا نزول شامل ہے جس کے نتیجے میں حرکی توانائی کی خالص پیداوار کے ساتھ حرارتی طور پر چلنے والی براہ راست گردش پیدا ہوتی ہے۔

فیز چینج سائیکل

ان چکروں اور انجنوں میں، کام کرنے والے سیال گیسیں اور مائعات ہیں۔ انجن کام کرنے والے سیال کو گیس سے مائع میں تبدیل کرتا ہے یا مائع سے گیس میں یا دونوں میں اور سیال کی توسیع یا سکڑائو سے کام پیدا کرتا ہے۔

رینکائن سائیکل (کلاسیکی بھاپ انجن )
دوبارہ پیدا کرنے والا سائیکل ( بھاپ کا انجن رینکائن سائیکل سے زیادہ موثر)
نامیاتی رینکائن سائیکل (برف اور گرم مائع پانی کے درجہ حرارت کی حدود میں کولنٹ تبدیل کرنے کا مرحلہ)
بخارات سے مائع کا سائیکل ( ڈرنکنگ برڈ ، انجیکٹر ، منٹو وہیل )
مائع سے ٹھوس سائیکل ( فراسٹ ہیونگ – برف (ٹھوس) کا سے مائع حالت (پانی) میں تبدیل ہونا اور دوبارہ برف بن جانا چٹان کو 60 سینٹی میٹر تک اٹھا سکتا ہے۔؛
ٹھوس تا گیس سائیکل ( آتشیں اسلحہ - ٹھوس آتشگیر مادہ جو گرم گیسوں کو جلاتے ہیں)۔

صرف گیس کا سائیکل

ان چکروں اور انجنوں میں کام کرنے والا سیال ہمیشہ ایک گیس ہوتا ہے (یعنی اس کی طبیعی حالت میں کوئی تبدیلی نہیں ہوتی):

کارنوٹ سائیکل (کارنوٹ ہیٹ انجن)
ایرکسن سائیکل (کیلورک شپ جان ایرکسن)
سٹرلنگ سائیکل (اسٹرلنگ انجن ، ^[5] تھرمو اکوسٹک آلات)
اندرونی دہن انجن (ICE):
- اوٹو سائیکل (جیسے گیسولن/پٹرول انجن)
- ڈیزل سائیکل (مثال کے طور پر ڈیزل انجن )
- اٹکنسن سائیکل (اٹکنسن انجن)
- بریٹن سائیکل یا جول سائیکل اصل میں ایرکسن سائیکل ( گیس ٹربائن)
- لیونائر سائیکل (مثال کے طور پر، پلس جیٹ انجن)
- ملر سائیکل (ملر انجن)

صرف مائع سائیکل/ چکر

ان چکروں اور انجنوں میں کام کرنے والا سیال ہمیشہ مائع حالت میں رہتا ہے:

سٹرلنگ سائیکل (مالون انجن)
حرارت دوبارہ پیدا کرنے والا طوفان ^[6]

الیکٹران کا چکر/سائیکل

جانسن کا حرارتی_برقی توانائی کا تبدیل گر
تھرمو الیکٹرک (پیلٹیر – سیبیک اثر)
تھرموگلوانک سیل
حرارتی آئنی اخراج
تھرموٹنل کولنگ/ٹھنڈک

مقناطیسی سائیکل

تھرمو مقناطیسی موٹر (ٹیسلا)

ریفریجریشن میں استعمال ہونے والے حرارتی چکر/سائیکلز

گھریلو ریفریجریٹر ہیٹ پمپ کی ایک مثال ہے: یعنی الٹا حرارتی انجن۔ گرمی کا فرق پیدا کرنے کے لیے کام کا استعمال کیا جاتا ہے۔ بہت سے چکر/ سائیکلز الٹی سمت میں چلتے ہیں تاکہ حرارت کو سرد جگہ سے گرم جگہ میں منتقل کیا جاسکے، جس سے سرد طرف اور زیادہ ٹھنڈی اور گرم طرف اور زیادہ گرم ہو جاتی ہے۔ ان سائیکلوں کے اندرونی دہن کے انجن کے ورژن، اپنی خاصیت کے مطابق، ریورسیبل نہیں ہوتے ہیں۔

ریفریجریشن سائیکلوں میں شامل ہیں:

بخارات بنانے والے حرارتی انجن

بارٹن بخارات کا انجن ایک ہیٹ انجن ہے جو ایک ایسے سائیکل پر مبنی طاقت پیدا کرتا ہے اور پانی کے بخارات سے گرم خشک ہوا میں نم ہوا کو ٹھنڈا کرتا ہے۔

میسوسکوپک حرارتی انجن

میسوسکوپک ہیٹ انجن نانو (بہت باریک) ڈیوائسز ہیں جو گرمی کے بہاؤ کی پروسیسنگ کے مقصد کو پورا کرسکتے ہیں اور چھوٹے پیمانے پر مفید کام انجام دے سکتے ہیں۔ ممکنہ ایپلی کیشنز میں جیسے الیکٹرک کولنگ ڈیوائسز شامل ہیں۔ اس طرح کے میسوسکوپک حرارتی انجنوں میں، حرارتی شور کی وجہ سے کام کے فی چکر میں اتار چڑھاؤ آتا ہے۔ ایک درست مساوات ہے جو کسی بھی حرارتی انجن کے ذریعہ انجام دئے گئے کام کے اوسط اور زیادہ گرمی کے غسل سے حرارت کی منتقلی سے متعلق ہے۔ یہ تعلق کارنوٹ کی عدم مساوات کو عین مساوات میں بدل دیتا ہے۔ یہ تعلق کارنوٹ سائیکل کی مساوات بھی ہے۔

حوالہ جات

↑ Fundamentals of Classical Thermodynamics, 3rd ed. p. 159, (1985) by G. J. Van Wylen and R. E. Sonntag: "A heat engine may be defined as a device that operates in a thermodynamic cycle and does a certain amount of net positive work as a result of heat transfer from a high-temperature body to a low-temperature body. Often the term heat engine is used in a broader sense to include all devices that produce work, either through heat transfer or combustion, even though the device does not operate in a thermodynamic cycle. The internal-combustion engine and the gas turbine are examples of such devices, and calling these heat engines is an acceptable use of the term."
↑ Mechanical efficiency of heat engines, p. 1 (2007) by James R. Senf: "Heat engines are made to provide mechanical energy from thermal energy."
↑ Thermal physics: entropy and free energies, by Joon Chang Lee (2002), Appendix A, p. 183: "A heat engine absorbs energy from a heat source and then converts it into work for us.... When the engine absorbs heat energy, the absorbed heat energy comes with entropy." (heat energy $\Delta Q=T\Delta S$ ), "When the engine performs work, on the other hand, no entropy leaves the engine. This is problematic. We would like the engine to repeat the process again and again to provide us with a steady work source. ... to do so, the working substance inside the engine must return to its initial thermodynamic condition after a cycle, which requires to remove the remaining entropy. The engine can do this only in one way. It must let part of the absorbed heat energy leave without converting it into work. Therefore the engine cannot convert all of the input energy into work!"
↑ "Ericsson's 1833 caloric engine"۔ hotairengines.org
↑ "Stirling's Dundee engine of 1841"۔ hotairengines.org
↑ "Cyclone Power Technologies Website"۔ Cyclonepower.com۔ 2012-01-19 کو اصل سے آرکائیو کیا گیا۔ اخذ شدہ بتاریخ 2012-03-22

زمرہ:حرحرکیات

[1] Fundamentals of Classical Thermodynamics, 3rd ed. p. 159, (1985) by G. J. Van Wylen and R. E. Sonntag: "A heat engine may be defined as a device that operates in a thermodynamic cycle and does a certain amount of net positive work as a result of heat transfer from a high-temperature body to a low-temperature body. Often the term heat engine is used in a broader sense to include all devices that produce work, either through heat transfer or combustion, even though the device does not operate in a thermodynamic cycle. The internal-combustion engine and the gas turbine are examples of such devices, and calling these heat engines is an acceptable use of the term."

[2] Mechanical efficiency of heat engines, p. 1 (2007) by James R. Senf: "Heat engines are made to provide mechanical energy from thermal energy."

[3] Thermal physics: entropy and free energies, by Joon Chang Lee (2002), Appendix A, p. 183: "A heat engine absorbs energy from a heat source and then converts it into work for us.... When the engine absorbs heat energy, the absorbed heat energy comes with entropy." (heat energy $\Delta Q=T\Delta S$ ), "When the engine performs work, on the other hand, no entropy leaves the engine. This is problematic. We would like the engine to repeat the process again and again to provide us with a steady work source. ... to do so, the working substance inside the engine must return to its initial thermodynamic condition after a cycle, which requires to remove the remaining entropy. The engine can do this only in one way. It must let part of the absorbed heat energy leave without converting it into work. Therefore the engine cannot convert all of the input energy into work!"

[hae-ericsson1833-4] "Ericsson's 1833 caloric engine"۔ hotairengines.org

[hae-stirling1842-5] "Stirling's Dundee engine of 1841"۔ hotairengines.org

[6] "Cyclone Power Technologies Website"۔ Cyclonepower.com۔ 2012-01-19 کو اصل سے آرکائیو کیا گیا۔ اخذ شدہ بتاریخ 2012-03-22

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]