دانلود تحقیق موتورهای طبیعت

در قرن هجدهم مرد بزرگی به نام لزار کارنو در فرانسه زندگی می‌کرد.

او پستهای مختلفی در دولت وقت فرانسه داشت.

او انسان فوق‌العاده تأثیرگذاری بود.

از او به عنوان مردی که پیروزی انقلاب فرانسه را سازمان‌دهی کرد یاد می‌شود.

او همچنین یک دانشمند و مهندس بی‌نظیر بود که کارهای بزرگش حتی امروزه در خاطره‌ها وجود دارد.

افتخارات خانوادگی آنها یک قرن بعد توسط سی دی کارنو که او نیز یک مهندس بود و بعدها ریاست جمهوری فرانسه را به عهده گرفت دنبال شد.

وی از سال 1887 تا سال 1894 که ترور شد عهده‌دار این پست بود.
او که در دوره‌ای بین این دو عضو خانواده کارنوها زندگی می‌کرد، نیکلاس ون سی دی کارنو نام داشت، که او را سی دی صدا می‌کردند.

وی علاقه زیادی به موتورهای بخار داشت.

از مزارع سرسبز انگلستان تا مرزهای گسترده و وسیع ایالات متحده هیچ اختراعی همانند موتور بخار باعث گسترش و تمدن فرهنگ غرب نشد.

بسیاری اختراع موتور را که با دود و سر و صدای زیادی همراه بود تهدیدی برای زندگی انسان می‌دانستند.

اما این اختراع از بدو ورود توانست جای خود را باز کند.

موتورهای بخار راه را برای ورود به عرصه صنعت باز کردند و تبدیل به موتور انقلاب صنعتی شدند.

این موتورها در هر دو طرف اقیانوس اطلس مورد قبول واقع شدند.

با طراحی‌های مختلف که توسط مهندسین انجام می‌شد، موتورهای بخار رؤیاهای بشر را به واقعیت تبدیل کردند.

موتورهای بخار سرزمینهای مختلف را با هم مرتبط می‌کردند.

با برقراری این ارتباط امکان پیشرفت نیز تسهیل می‌شد.

موتورهای بخار نیروی لازم برای بریدن چوب و حرکت دادن پیستون‌ها و اهرم‌ها را تأمین می‌کردند.

موتورهای بخار با امکان تهیه لبنیات و آرد غله در مقیاسهای بزرگ محصول بیشتری در دسترس کشاورزان قرار می‌دادند.

گسترش استفاده از موتورهای بخار جایگزین نیروی انسانی گشت.

قدرت موتورهای بخار انرژی حرکت و تغییر را به وجود می‌آورد.

موتورهای بخار باعث صرفه‌جویی در زمان و نیروی بی‌کاری می‌شدند.

هر مکانی سعی در بهره‌گیری از این اختراع داشت تا کار خود را با سرعت بیشتر و هزینه کمتر انجام دهد.
هر جایی که ریلهای آهنی کار گذاشته می‌شد، محصولات مختلفی که در سراسر کشور تولید می‌شدند در دسترس قرار می‌گرفت.

به نظر می‌رسید موتورهای بخار هر جایی بروند آرزوهای بشر را نیز همراه خود خواهند برد.
لرد بایرن در این باره می‌گوید: موتورهای بخار بشر را به کره ماه خواهند برد.

او چندان هم اشتباه نمی‌کرد.

مسیری که موتورهای بخار درمی‌نوردیدند از ماه هم فراتر می‌رفت.

این مسیر تا آنجا پیشرفت که سؤالاتی بنیادی درباره مفهوم زمان و سرنوشت نهایی جهان مطرح شد.

جرقه آغاز این سفر در ذهن سی دی کارنو زده شد.

کارنو که در سال 1796 متولد شد، ذهنیت خود درباره ریاضیات و مهندسی علوم نظامی را متأثر از پدر شکل داد.

پدر وی لزا کارنو به دلیل داشتن مهارت فوق‌العاده در سازمان‌دهی و مهندسی از شهرت زیادی برخوردار بود و بعدها به قهرمان جنگهای فرانسه تبدیل شد.

کارنو با تشویقهای پدر وارد دانشگاه پلی‌تکنیک ایکو شد.

در دانشگاه کارنوی جوان به مطالعه موتورهای بخار و محدودیت آن پرداخت.

برای کشوری همچون فرانسه این محدودیتها مشکلی نبودند.

ولی برای یک مهندس نظام آغاز یک نبرد بود.

کارنو به جای ساختن موتور بخار بهتر تئوری را ارائه نمود.

البته در آن زمان ایده استفاده از قدرت بخار چندان جدید نبود.

نیروی بخار نخستین بار در سال 1698 توسط توماس سیورفی برای به کار انداختن پمپ آب مورد استفاده قرار گرفت.

از آن زمان مخترعین و مهندسینی مانند: ریچارد تلی ورتی، متین بورتن و جیمز وات پیوسته سعی در اصلاح و افزایش موتورهای بخار داشتند.
تمام این تلاش‌ها برای بدست آوردن کار بیشتر از حرارت ذغال سنگ بود.

با این حال کشف جیمز وات در بدست آوردن روشی برای خنک کردن موتورهای بخار در خارج از محفظه اصلی، با استفاده از کندانسور عصر موتورهای بخار را آغاز کرد.

در یک موتور بخار کدام قسمت از همه قسمتها حیاتی‌تر است؟

دریچه‌ها، چرخ‌دنده‌ها، میله‌ها، لوله‌ها، اهرم‌ها و نشانگرها یا چرخها و تسمه‌هایی که برای انتقال قدرت به کار می‌رود.

سیلندر قلب یک موتور را تشکیل می‌دهد سیلندری که میله متحرکی در آن تعبیه شده و بخار فشرده آن را به حرکت وامی‌دارد.

با باز شدن دریچه ورودی بخاری پرفشار وارد سیلندر شده و پیستون را به جلو می‌رساند و بر روی فلا‌بی کار انجام می‌دهد.

فلا‌بی مجدداً پیستون را به دهانه سیلندر رانده و بخار را از دریچه تخلیه خارج می‌نماید.

و بدین ترتیب موتور را آماده چرخه بعدی می‌شود، و این چرخه ادامه می‌یابد.

(جلو، عقب)
در هر موتوری که طراحی شده سیلندر بخش اصلی و مهم آن است.

سی دی کارنو با اطلاع از نحوه کار موتورهای بخار، سعی در بهینه‌سازی این موتورها نکرد، بلکه از خود پرسید ایده‌آل‌ترین موتورهایی که طبیعت اجازه ساخت آن را می‌دهد کدام است؟

کارنو پاسخ این سؤال را در چرخ‌های آبی یافت.
در زمانیکه کارنو سعی در درک قدرت موتور بخار نمود در اطراف او مثالهای متعددی از توان سیال آب وجود داشت.

او فکر کرد همانطور که با فروریختن آب از ارتفاع بالاتر به سطحی پایین‌تر چتر آبی به حرکت درمی‌آید موتور بخار نیز با جریان سیال کلریک از دمای بالاتر به دمای پایین‌تر کار می‌کند.

با در نظر داشتن این توصیف ساده سی دی کارنو جوان پاسخ سؤال خود را در برابر محدودیت‌های طبیعت که در برابر حداکثر بازدهی یک موتور وجود دارد پیدا کرد.

هیچ ماشینی و یا ترکیبی از ماشینها نمی‌توان باعث شود که حرارت بیشتری به دمای بالاتر رفته و سپس به دمای پایین‌تر بازگردد.
این ایده نقطه آغازین تئوری کارنو بود، که حتی امروزه به عنوان یکی از اصول فیزیک شناخته می‌شود.

البته امروزه این اصل قانون ترمودینامیک نام دارد.

کارنو دریافت که با گردانیدن یک چتر آبی در جهت معکوس می‌توان آب را به ارتفاع بالاتری منتقل کرد.

در واقع او چرخی را در نظر گرفت که با گردش خود چرخ دیگری را در جهت معکوس می‌گرداند و از آبی که در جهت دیگر فرو می‌ریزد برای بالا بردن آب چرخ اول استفاده می‌شود.

او متوجه شد این ماشین مرکب آب را به ارتفاعی بالاتر از سطح آبی که فرو می‌ریزد منتقل می‌کند.
این ایده نقطه آغازین تئوری کارنو بود، که حتی امروزه به عنوان یکی از اصول فیزیک شناخته می‌شود.

او متوجه شد این ماشین مرکب آب را به ارتفاعی بالاتر از سطح آبی که فرو می‌ریزد منتقل می‌کند.

با به کار بردن این اصل در مورد حرارت قانون دوم ترمودینامیک شکل گرفت.

با بدست آوردن چنین دیدگاهی کارنو دریافت بهترین موتوری که امکان ساخت آن وجود دارد، موتوری است که در هر دو جهت رفت و برگشت عملکرد یکسانی داشته باشد.

در یک موتور معمولی حرارت از یک دمای بالاتر وارد شده.

ماشینی که به این شکل کار می‌کند یخچال نام دارد.

این ماشین حرارت را از محیط سرد خارج می‌کند و در محیط قرار می‌دهد.

در سال 1820 کارنو با مشکل بزرگی مواجه بود.

او در این فکر بود که چگونه می‌تواند موتوری اینگونه طراحی کند؟

او چند دریچه را حذف نمود، سیلندر و پیستون را در نظر گرفت، بخار را حذف کرد تا از هوا استفاده کند.

با گرم کردن هوا انبساط صورت می‌گیرد و موتور به جلو حرکت می‌کند و برعکس.

حرارت از دمای بالاتر وارد شده و پیستون کار می‌کند.

اگر هوا سردتر است فشار کمتری به پیستون وارد می‌کند.

بدین ترتیب موتور ایده‌آل موجود شده است.

موتور ایده‌آل بسیاری از ویژگی موتورهای واقعی را دارد.

با ورود حرارت موتور آماده چرخه بعدی می‌باشد.

حرارت به راحتی از سیلندر گرم به منبع سرد و برعکس از سیلندر سرد به منبع گرم راه می‌یابد.

در تمامی مراحل به حرارت و گرما نیاز است.

سیلندر باید قبلاً گرم شود.

با حرکت پیستون به عقب موتور در حالت عکس کار می‌کند.

که این فرایند همدما نام دارد.

در مرحله بعد با جدا شدن حرارت گاز به انبساط خود ادامه می‌دهد این مرحله برگشت‌پذیر است.

حال سیلندر آماده یک مرحله دیگر است.

بدیهی است که موتور کارنو در تخیل خوب کار می‌کند، اما اشتراکاتی با موتورهای دیگر دارد.

این موتور به محفظه‌ای برای انقباض و انبساط گازها نیاز دارد.

در حقیقت با ورود حرارت کمتر نیز بازدهی کافی و همان عملکرد بدست می‌آید.

موتور واقعی با دریافت حرارت کار انجام می‌دهد، این مقدار کار آن است که موتور کارنو در جهت عکس به کار نیاز دارد.

سی دی کارنو ثابت کرد که کار او عاری از اشتباه نبود.

هیچ موتوری حتی موتور کارنو بازدهی کامل ندارد.

که این امر بستگی به دمای گرم دارد، که بازدهی موتور بیشتر است.

سی دی کارنو در سن 36 سالگی به دلیل سینه‌پهلو درگذشت وی به شهرت چندانی نرسید، اما ایده‌های کارنو فراتر از زمان خود بود.

هنگامی که ژول اصل بقای انرژی را مطرح کرد، شرایط برای کارنو دشوار شد.

یک فیزیکدان آلمانی به نام کلازیوس ایده کارنو را آسان ساخت.

چیزی که با عبور از موتور ایده‌آل تغییر نمی‌کند.

این کمیت نسبت انرژی یا حرارت انرژی به دمای ورودی است.

اختراع جیمز وات که موتوری با بازدهی بیشتر در جهت بدست آوردن پول بیشتر است .

انتروپی علم ترمودینامیک برپایه چهار اصل کلی قرار دارد که چهار قانون ترمودینامیک نامیده می‌شود.

از میان این چهار قانون ابتدا قانون دوم و سپس قانون اول کشف شد.

قانون سوم به نام قانون صفرم نامیده می‌شود.

البته اینها منطقی است چون علم ترمودینامیک از منطقی‌ترین و کاربردی‌ترین علوم روی زمین است.

به طور خلاصه این چهار قانون را بیان می‌کنیم: قانون صفرم درباره توصیف مفهوم دماست.

قانون اول درباره اصل بقای انرژی است.

قانون دوم درباره اصل انتروپی و قانون سوم دمایی فوق‌العاده پایین و دور از دسترس است.

با استفاده از این چهار اصل می‌توان به: توصیف ویژگیهای ماده و حتی وضعیت نهایی جهان پرداخت در دنیای واقعی تعادل را کمتر می‌توان یافت.

در جزایر آتشفشانی مواد مذاب داغ بر سطح زمین جاری می‌شود.

در مناطق قطبی اقیانوس منجمد جنوبی بزرگترین دستگاه یخ‌سازی دنیا پیوسته مشغول کار است.

در صحرای بزرگ آفریقا خورشید بی‌رحمانه به سطح زمین می‌تابد و آن را گرم می‌کند.

در آبشارهای سراسر دنیا نیز آب به فرسایش سنگهای دنیا مشغول است.

از بدو شکل‌گیری تاکنون زمین به شکل یک ماشین بزرگ پیوسته مشغول کار است.

زمین کارخانه‌ای است که همیشه کار می‌کند و هیچگاه تعطیل نمی‌شود.

زمین یک موتور طبیعی است تا موقعی که از خورشید انرژی دریافت می‌کند به کار خود ادامه خواهد داد.

موتورهای تولید نیرو از موج‌های دریا یا موتورهای دیزل غول‌پیکری که کشتی‌ها را به حرکت درمی‌آورد و یا هر موتور دیگر تنها به یک دلیل کار می‌کند.

به این دلیل که حرارت و حرکت می‌تواند ماده را جابه‌جا کند.

طی چند سال گذشته موتورهای حرارتی پیشرفت زیادی داشتند، ولی از آن زمان تاکنون گرما فقط در یک جهت حرکت می‌کند.

(از دمای بالاتر به دمای پایین‌تر).

تمام موتورها و خود زمین به این دلیل بر کار خود ادامه می‌دهند که یکی از قسمتهای آنها در دمای بالاتری قرار گرفته است.

در طبیعت جریانها و پدیده‌های قدرتمندی در اتمسفر به وجود می‌آید، که نیروی خود را از اختلاف دمای خط استوا و قطبهای شمال بدست می‌آورد.

در هر مکان و هر موتوری این اصل برقرار است.

در این خودروی موجود اختلاف دما بین سوخت و هوای درون سیلندر و‌ آبی که در سیستم خنک‌کننده آن جریان دارد، باعث ادامه کار موتور می‌شود.

موتورهای بخار نیز بین دمای بالای دیگ بخار و دمای پایین هوای محیط کار می‌کنند.

هرچه اختلاف این دو دما بیشتر باشد، (دمای بالا داغ‌تر و دمای پایین خنک‌تر باشد) موتور بهتر کار می‌کند.

ولی اگر جریان سوخت متوقف شود، و موتور شروع به خنک شدن کند، عملکرد آن نیز متوقف می‌شود.

البته این به معنی دردسر است.

اگر تمام قسمتهای موتور به دمای یکسانی برسد و تمام حرکتها متوقف شود موتور به وضعیت نهایی خود می‌رسد، که وضعیت تعادل نام دارد.

از دیدگاه علمی این امر چگونه تولید می‌شود؟

در این شبیه‌سازی دینامیکی مولکولی هر زوج از اتمها به گونه‌ای طراحی شده که مطابق با نیروی بین اتمی عمل کند.

هنگامیکه یک جسم سرد با یک جسم گرم تماس می‌یابد چه اتفاقی می‌افتد؟

انرژی حرارتی از جسم گرم به جسم سرد می‌رود و این کار ادامه می‌یابد تا هر دو جسم به دمای یکسانی برسند.

به چنین شرایطی وضعیت تعادل دمایی گویند.

در نگاه اول به نظر می‌رسد تعادل مکانیکی با تعادل دمایی فرق داشته باشد.

تعادل مکانیکی عدم سقوط اجسام است.

هنگامیکه یک جسم در حال تعادل سقوط می‌کند و به زمین برخورد می‌کند هر جهش مجدد آن از جهش قبلی اندکی کمتر است ولی چرا؟

زیرا انرژی جنبشی کل جسم باعث حرکت نامنظم اتمهای آن می‌شود.

این فرایند بسیار شبیه جریان یافتن حرارت درون اجسام است، و البته نتیجه مشابهی را نیز دربردارد.

تمام انرژی موجود در جسم در نهایت به انرژی جنبشی و پتانسیل و حرکات نامنظم تبدیل می‌شود.

اگرچه این فرضیه تعادل به معنی آرامش و سکون است، ولی این ایده حرکت نامنظم اتمها را از نظر مخفی نگه می‌دارد.

به همین دلیل مفهوم تعادل به دیدگاه ما بستگی دارد تا بتوانیم چیزی که در پشت این مفهوم قرار دارد درست درک کنیم.

در وضعیت تعادل تمام دماها با یکدیگر برابر هستند.

از این‌رو در چنین حالتی هیچ ماشینی کار نخواهد کرد، هیچ آتشفشانی فعالیت