ऊष्मा इंजन (Heat Engine)
ऊष्मा इंजन एक ऐसा उपकरण है जो ऊष्मीय ऊर्जा को चक्रीय प्रक्रम द्वारा लगातार यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करता है।
- यह एक उच्च ताप (T₁) वाले स्रोत (source) से ऊष्मा (Q₁) लेता है।
- इस ऊष्मा के कुछ भाग को उपयोगी कार्य (W) में परिवर्तित करता है।
- शेष ऊष्मा (Q₂) को एक निम्न ताप (T₂) वाले सिंक (sink) में निष्कासित कर देता है।
- दक्षता (Efficiency, η): इंजन द्वारा किए गए कार्य और स्रोत से ली गई ऊष्मा का अनुपात।
दक्षता का सूत्र
η = किया गया कार्य / ली गई ऊष्मा = W / Q₁
चूंकि W = Q₁ – Q₂, तो
η = (Q₁ – Q₂) / Q₁ = 1 – (Q₂ / Q₁)
एक आदर्श (कार्नो) इंजन के लिए, η = 1 – (T₂ / T₁)
प्रशीतक या ऊष्मा पम्प (Refrigerator or Heat Pump)
प्रशीतक एक ऐसा उपकरण है जो बाहरी कार्य की सहायता से ऊष्मा को ठंडी वस्तु से गर्म वस्तु की ओर स्थानांतरित करता है। यह ऊष्मा इंजन के विपरीत कार्य करता है।
- यह निम्न ताप (T₂) वाले सिंक (जैसे, फ्रीजर के अंदर) से ऊष्मा (Q₂) निकालता है।
- इस पर बाह्य कार्य (W) किया जाता है (कंप्रेसर द्वारा)।
- यह कुल ऊष्मा (Q₁ = Q₂ + W) को उच्च ताप (T₁) वाले स्रोत (जैसे, कमरे) में निष्कासित कर देता है।
- निष्पादन गुणांक (Coefficient of Performance, β): निकाली गई ऊष्मा और किए गए कार्य का अनुपात।
निष्पादन गुणांक का सूत्र
β = निकाली गई ऊष्मा / किया गया कार्य = Q₂ / W
चूंकि W = Q₁ – Q₂, तो
β = Q₂ / (Q₁ – Q₂)
एक आदर्श प्रशीतक के लिए, β = T₂ / (T₁ – T₂)
संख्यात्मक उदाहरण
उदाहरण
प्रश्न: एक कार्नो इंजन 500 K और 300 K के बीच कार्य करता है। यदि यह स्रोत से 600 J ऊष्मा लेता है, तो (a) इंजन की दक्षता और (b) इंजन द्वारा किया गया कार्य ज्ञात कीजिए।
हल:
दिया है:
स्रोत का ताप (T₁) = 500 K
सिंक का ताप (T₂) = 300 K
ली गई ऊष्मा (Q₁) = 600 J
(a) दक्षता (η):
η = 1 – (T₂ / T₁)
η = 1 – (300 / 500) = 1 – 0.6 = 0.4
प्रतिशत में, η = 40%
(b) किया गया कार्य (W):
η = W / Q₁
0.4 = W / 600 J
W = 0.4 × 600
W = 240 J