منبع دماپایین: مخزن سرمای ماشینهای گرمایی
مقدمه: گرمایی که باید به جایی برود!
تصور کنید یک فنجان چای داغ دارید. اگر آن را روی میز در اتاق قرار دهید، بعد از مدتی سرد میشود. گرما از چای (منبع گرم) به هوای اتاق (منبع سرد) منتقل شده است. این یک فرآیند طبیعی است: گرما همیشه از جسم گرمتر به جسم سردتر جریان مییابد. حالا اگر بخواهیم برعکس این کار را انجام دهیم، مثلاً گرما را از یک فضای سرد (داخل یخچال) به بیرون (هوای آشپزخانه) منتقل کنیم، نیاز به وسیلهای داریم که کار انجام دهد: این وسیله ماشین گرمایی یا سرمایشی است. تمام این ماشینها برای عملکرد خود، به یک مقصد برای دفع گرما نیاز دارند که به آن منبع دماپایین میگویند. بدون این منبع، تبدیل گرما به کار یا سرد کردن یک فضا غیرممکن است.
منبع دماپایین در قالبهای مختلف
منبع دماپایین همیشه لزوماً چیزی «خیلی سرد» مانند یخ نیست. هر چیزی که نسبت به منبع گرما، دمای پایینتری داشته باشد، میتواند نقش منبع دماپایین را ایفا کند. نوع منبع به محیط و مقیاس وسیله بستگی دارد.
| وسیله / سیستم | منبع گرم (دمابالا) | منبع دماپایین (سرد) | هدف اصلی |
|---|---|---|---|
| موتور بنزینی خودرو | احتراق سوخت (دمای بسیار بالا) | هوای اطراف (از طریق رادیاتور) | تبدیل گرما به کار مکانیکی (حرکت) |
| یخچال خانگی | هوای داخل محفظه (نسبتاً سرد) | هوای آشپزخانه (از طریق پشت یخچال) | انتقال گرما از داخل به خارج (سردسازی) |
| نیروگاه حرارتی | سوخت زغالسنگ یا گاز | آب یک رودخانه یا برج خنککننده | تولید الکتریسیته |
| پمپ حرارتی5 (برای گرمایش) | هوای خارج (حتی هوای سرد زمستان) | سیال مبرد داخل دستگاه | گرم کردن فضای داخل ساختمان |
نقش منبع دماپایین در قانون دوم ترمودینامیک و بازده
برای درک بهتر، باید با مفهوم چرخهٔ ترمودینامیکی آشنا شویم. موتور یک خودرو، گرما را از احتراق میگیرد ($Q_H$)، بخشی از آن را به کار مفید ($W$) تبدیل میکند، اما بقیهٔ گرما ($Q_C$) باید به محیط (منبع دماپایین) دفع شود. اگر رادیاتور خودرو خراب شود، این گرمای اضافی دفع نمیشود و موتور بیش از حد گرم میشود (آسیب میبیند).
بازده یک موتور گرمایی، نسبت کار مفید به گرمای دریافتی است. فرمول سادهشده آن (برای یک موتور ایدهآل کارنو6) به دماهای دو منبع بستگی دارد:
$\eta$ (اتا): بازده موتور
$T_C$: دمای مطلق منبع دماپایین (بر حسب کلوین)
$T_H$: دمای مطلق منبع دمابالا (بر حسب کلوین)
دمای کلوین = دمای سلسیوس + 273.15
این فرمول دو نکتهٔ مهم را نشان میدهد:
- بازده همیشه کمتر از 1 (یا 100%) است. زیرا کسر $T_C/T_H$ هرگز صفر نمیشود مگر اینکه $T_C$ به صفر مطلق برسد که عملاً غیرممکن است.
- برای افزایش بازده، یا باید $T_H$ را افزایش داد (مثلاً با سوخت بهتر) یا $T_C$ را کاهش داد. به همین دلیل است که نیروگاههای نزدیک دریا یا رودخانههای بزرگ بازده بهتری دارند؛ زیرا آب سرد، $T_C$ مؤثر پایینتری فراهم میکند.
یک آزمایش فکری: اگر منبع دماپایین نبود چه میشد؟
بیایید یک مثال عملی بزنیم. کولر آبی را در نظر بگیرید. این وسیله هوای گرم بیرون را به داخل میکشد و از روی پدهای خیس عبور میدهد. آب موجود در پدها تبخیر میشود و برای این تبخیر، به گرما نیاز دارد. این گرما را از هوای گذرنده میگیرد و در نتیجه هوا خنک میشود. اما این گرما کجا میرود؟ در واقع، هوای خنکشده به داخل اتاق فرستاده میشود و گرمای گرفتهشده، در انرژی پنهان7 تبخیر آب ذخیره میشود. هوای مرطوب تولیدشده سپس به بیرون هدایت میشود. در اینجا، محیط بیرون و فرآیند تبخیر با هم نقش منبع دماپایین را ایفا میکنند. اگر کولر آبی را در یک اتاق کاملاً دربسته قرار دهید، پس از مدتی هوای اتاق مرطوب و گرم میشود، زیرا دیگر منبع دماپایین مؤثری (هوای خشک بیرون) برای دفع گرما و رطوبت وجود ندارد. این نشان میدهد که عملکرد یک وسیلهٔ سرمایشی کاملاً وابسته به وجود یک مخزن برای دفع گرماست.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 منبع دماپایین (Low-temperature Reservoir): مخزنی که گرما به آن دفع میشود. گاهی منبع سرد (Cold Reservoir) نیز نامیده میشود.
2 ماشین گرمایی (Heat Engine): وسیلهای که با دریافت گرما از یک منبع داغ، بخشی از آن را به کار مفید تبدیل میکند و بقیه را به یک منبع سرد میدهد. مانند موتور خودرو.
3 قانون دوم ترمودینامیک (Second Law of Thermodynamics): قانونی که جهت فرآیندهای طبیعی را تعیین میکند. یک بیان معروف آن: «گرما به خودی خود نمیتواند از یک جسم سرد به یک جسم گرم منتقل شود.»
4 بازده (Efficiency): در ماشین گرمایی، نسبت کار خروجی مفید به گرمای ورودی.
5 پمپ حرارتی (Heat Pump): وسیلهای که برعکس یک ماشین گرمایی کار میکند. با دریافت کار، گرما را از یک منبع سرد (مثلاً هوای بیرون) میگیرد و به یک منبع گرم (مثلاً داخل خانه) میدهد.
6 چرخه کارنو (Carnot Cycle): یک چرخه ترمودینامیکی ایدهآل و برگشتپذیر که دارای بیشترین بازده ممکن بین دو دمای معین است.
7 انرژی پنهان یا گرمای نهان (Latent Heat): انرژیای که یک ماده هنگام تغییر فاز (مثلاً از مایع به گاز) جذب یا آزاد میکند، بدون اینکه دمای آن تغییر کند.
8 کندانسور (Condenser): قسمتی در سیستمهای سرمایشی که در آن گاز مبرد، گرمای خود را دفع کرده و به مایع تبدیل میشود.
