ಉಷ್ಣ ಇಂಜಿನ್
ಉಷ್ಣವು ಶಕ್ತಿಯ ಒಂದು ರೂಪ. ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಒಂದು ರೂಪದಿಂದ ಮತ್ತೊಂದು ರೂಪಕ್ಕೆ ಪರಿವರ್ತಿಸಬಹುದು. ಉದಾಹರಣೆಗೆ,ವಿದ್ಯುತ್ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಸೂಕ್ತವಾದ ಉಪಕರಣಗಳನ್ನು ಬಳಸಿ ಉಷ್ಣಶಕ್ತಿ,ಬೆಳಕಿನ ಶಕ್ತಿ ಮತ್ತು ಯಾಂತ್ರಿಕ ಶಕ್ತಿಯನ್ನಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸಬಹುದು. ಈ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಯಾಂತ್ರಿಕ ಕೆಲಸವನ್ನು ಮಾಡಲು ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ.
ನಾವು ಉಷ್ಣಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಅಡುಗೆ ಮಾಡಲು , ಪ್ರಯೋಗ ಶಾಲೆಗಳಲ್ಲಿ ವಿವಿಧ ಪ್ರಯೋಗಗಳನ್ನು ಮಾಡಲು ಉಪಯೊಗಿಸುತ್ತೆವೆ. ಈ ಉದಾಹರಣೆಗಳು ಉಷ್ಣದ ಪರಿಣಾಮಗಳ ಅನ್ವಯವಾಗಿವೆ. ಉಷ್ಣದ ಪರಿಣಾಮಗಳನ್ನು ಒಟ್ಟುಗೂಡಿಸಿ ಹೀಗೆ ಹೇಳಬಹುದು :
- ವಸ್ತುವಿನ ತಾಪದಲ್ಲಿ ಏರಿಕೆ
- ವಸ್ತುವಿನ ವ್ಯಾಕೋಚನೆ
- ವಸ್ತುವಿನ ಸ್ತಿತಿ ಬದಲಾವಣೆ
- ರಾಸಾಯನಿಕ ಬದಲಾವಣೆ
ಇದು ಕಾರ್ಯನಿ‌ರ್ವಹಿಸುವ ವಸ್ತುವಿನ ತಾಪವನ್ನು ಉನ್ನತ ಉಷ್ಣತಾ ಸ್ಥಿತಿಯಿಂದ ಕೆಳಮಟ್ಟದ ಉಷ್ಣತಾ ಸ್ಥಿತಿಗೆ ತರುವ ಮೂಲಕ ಕಾರ್ಯನಿ‌ರ್ವಹಿಸುತ್ತದೆ. ಕಾರ್ಯನಿ‌ರ್ವಹಿಸುವ ವಸ್ತುವಿನ ತಾಪವನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸುವಲ್ಲಿ ತಾಪದ ಮೂಲವು ಉಷ್ಣತೆಯನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸುತ್ತದೆ.ಒಂದು ವಸ್ತುವಿನ ತಾಪವನ್ನು ಏರಿಸುವುದರಿಂದ ನಾವು ಉಷ್ಣ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಯಾಂತ್ರಿಕ ಶಕ್ತಿಯನ್ನಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸುವ ಸಾಧನವನ್ನು ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸಲು ಸಾಧ್ಯವಿಲ್ಲ. ಹಾಗೆಯೇ ಉಷ್ನದಿಂದ ಘನ , ದ್ರವ ಮತ್ತು ಅನಿಲಗಳ ವ್ಯಕೋಚನೆಯು ಬಹಳ ನಿಧಾನ ಗತಿಯಲ್ಲಿರುವುದರಿಂದ , ಈ ಪರಿಣಾಮವನ್ನೂ ಸಹ ನಾವು ಉಷ್ಣ ಇಂಜನ್ನು ಅಭಿವ್ರುದ್ಧಿಗೊಳಿಸುವಲ್ಲಿ ಬಳಸುವುದು ಕಶ್ತವಾಗಿದೆ. ಆದರೆ , ಉಷ್ಣ ಇಂಜಿನ್ ಗಳ ತಯಾರಿಕೆಯಲ್ಲಿ ದ್ರವವಸ್ತುಗಳು ಉಷ್ನದಿಂದ ಅನಿಲವಾಗಿ ಬದಲಾಗುವುದು ಮಹತ್ವದ ಪಾತ್ರವನ್ನು ವಹಿಸುತ್ತದೆ.ಸ್ವಲ್ಪ ಪ್ರಮಾಣದ ನೀರನ್ನು, ಹಬೆಯಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸಿದರೆ ,ಅದು ಹೆಚ್ಚು ಸ್ಥಳವನ್ನು ಆಕ್ರಮಿಸುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ವ್ಯಾಕೂಚನೆಯಿಂದ ಒತ್ತಡವನ್ನು ಉಂಟುಮಾಡುತ್ತದೆ . ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಪ್ರಮಾಣದ ನೀರನ್ನು ಕಾಯಿಸುವುದರಿಂದ ಉಂಟಾದ ಹಬೆಯು ಆ ನೀರಿಗಿಂತ ಸುಮಾರು ೧೫೦೦ ಪಟ್ಟು ಅಧಿಕ ಗಾತ್ರವನ್ನು ಆಕ್ರಮಿಸುತ್ತದೆ . ಹೀಗೆ ಹೆಚ್ಚು ಗಾತ್ರವನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ ಹಬೆಯು ಹೆಚ್ಚು ಒತ್ತಡವನ್ನು ಉಂಟುಮಾಡುತ್ತದೆ ಎಂಬ ಅಂಶವೇ ,ಡೀಸೆಲ್ ಗಳು ದಹಿಸಿದಾಗ , ರಾಸಾಯನಿಕ ಬದಲಾವಣೆಯಾಗಿ ಹೆಚ್ಚು ಗಾತ್ರದ ಅನಿಲಗಳನ್ನು ಬಿಡುಗಡೆ ಮಾಡಿ , ಒತ್ತಡವನ್ನು ಉಂಟುಮಾಡುತ್ತವೆ ಎಂಬುದೇ , ಪೆಟ್ರೋಲ್ ಅಥವಾ ಡೀಸೆಲ್ ಇಂಜಿನ್ ಗಳ ಕಾರ್ಯವಿಧಾನದ ಮೂಲ ತತ್ವ.
ಗಾಳಿಯ ಪ್ರವಾಹದಲ್ಲಿ ಎರಡು ರೀತಿಯ ಚಲನೆಗಳಿವೆ:
- ವ್ಯವಸ್ಥೆಯೊಳಗೆ ಅಣುಗಳ ಯಾದೃಚ್ಚಿಕ ಚಲನೆ
- ಗಾಳಿಯ ಚಲನೆಯ ದಿಕ್ಕಿನಲ್ಲಿ ಸಾಮೂಹಿಕ ಪದರ ಕ್ರಮದ ವಹನ
ಈ ಎರಡನೆಯ ವಿಧವಾದ ಚಲನೆಯು ಒತ್ತಡ ಅಂತರವಿದ್ದಾಗ ಆಗುತ್ತದೆ. ಇದು ಉಷ್ಣ ಇಂಜಿನ್‍ಗಳ ಕಾರ್ಯವಿಧಾನಕ್ಕೆ ಅನ್ವಯಿಸುತ್ತದೆ.
ಹಾಗಾದರೆ , ಉಷ್ಣ ಇಂಜಿನ್ ಎಂದರೇನು?
ಉಷ್ಣಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಉಪಯುಕ್ತ ಯಾಂತ್ರಿಕ ಶಕ್ತಿಯಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸುವ ಸಾಧನ (ಹೀಟ್ ಎಂಜಿನ್). ಇದು ಅವಿಚ್ಛಿನ್ನ ಪರಿವರ್ತನೆಯಾಗಿದೆ. ಒಂದು ಉಷ್ಣಯಂತ್ರದಲ್ಲಿ ಮೂರು ಮುಖ್ಯ ಅಂಶಗಳಿರುತ್ತವೆ. ಅವುಗಳು: ೧. ಆಕರ, (ಸೋರ್ಸ್ ಅಥವಾ ಮೂಲ). ಇದರಿಂದ ಯಾಂತ್ರಿಕ ಶಕ್ತಿಗೆ ಬೇಕಾಗುವ ಉಷ್ಣಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಒದಗಿಸಲಾಗುವುದು. 2. ತೊಟ್ಟಿ (ಸಿಂಕ್). ಇದರ ಉಷ್ಣತೆ ಆಕರದ ಉಷ್ಣತೆಗಿಂತ ಕಡಿಮೆ ಇರುತ್ತದೆ. ಆಕರದ ಹೆಚ್ಚಿನ ಉಷ್ಣತೆ ತೊಟ್ಟಿಗೆ ಬಿಡುಗಡೆಯಾಗುತ್ತದೆ. 3 ಕ್ರಿಯಶೀಲ ವಸ್ತು (ವರ್ಕಿಂಗ್ ಸಬ್‍ಸ್ಟೆನ್ಸ್). ಸಾಧಾರಣವಾಗಿ ಇದು ಒಂದು ಅನಿಲವೋ, ಅನಿಲಗಳ ಮಿಶ್ರಣವೋ ಅಥವಾ ಹಬೆಯೋ ಇರುತ್ತದೆ. ನೀರಿನ ಹಬೆಯ ಯಂತ್ರದಲ್ಲಿ ಈ ವಸ್ತು ನೀರಿನ ಆವಿಯ ರೂಪದಲ್ಲಿರುತ್ತದೆ. ಇವು ಮೂರು ಅಂಗಗಳೂ ಪರಸ್ಪರ ಪೂರಕವಾಗಿ ನೆರವೇರಿಸುವಂಥ ಒಂದು ಕ್ರಿಯಾಚಕ್ರವನ್ನು (ಸೈಕಲ್ ಆಫ್ ಆಪರೇಷನ್ಸ್) ರಚಿಸಬೇಕು. ಇಂಥ ಒಂದು ಚಕ್ರದಲ್ಲಿ ಕ್ರಿಯಾಶೀಲವಸ್ತು ಆಕರದಿಂದ ಉಷ್ಣವನ್ನು ಹೀರಿ ಸಾಕಾದಷ್ಟು ಪ್ರಮಾಣವನ್ನು ಯಾಂತ್ರಿಕ ಶಕ್ತಿಯನ್ನಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸಿ ಉಳಿದ ಅನುಪಯುಕ್ತ ಶಕ್ತಿಯ ಪ್ರಮಾಣವನ್ನು ತೊಟ್ಟಿಗೆ ವಿಸರ್ಜಿಸುತ್ತದೆ. ಉಷ್ಣ ಇಂಜಿನ್ ಗಳಲ್ಲಿ ಎರಡು ವಿಧಗಳಿವೆ :
- ಹಬೆ ಇಂಜಿನ್
- ಅಂತರ್ದಹನ ಇಂಜಿನ್
ಥಾಮಸ್ ಸಾವೀರಿಯು ಪ್ರಪ್ರಥಮವಾಗಿ ವ್ಯಾವಹಾರಿಕವಾಗಿ ಉಪಯುಕ್ತ ಹಬೆ ಇಂಜಿನ್ ಅನ್ನು ವಿನ್ಯಾಸಗೊಲಿಸಿದನು . ಜೇಮ್ಸ್ ವ್ಯಾಟನು ಅದಕ್ಕೆ ಸಿಲಿಂಡರ್ ನತ್ತು ಕವಾಟಗಳನ್ನು ಬಳಸಿ ಸುಧಾರಿತ ಹಬೆ ಇಂಜಿನ್ ಅನ್ನು ನಿರ್ಮಿಸಿದನು . ಹಬೆ ಚಾಲಿತ ಯಂತ್ರಗಳು , ಕೈಗಾರಿಕಾ ಕ್ರಾಂತಿಗೆ ನಾಂದಿಯಾದವು . ನಾವು ಈಗ ಒಂದು ಹಬೆ ಇಂಜಿನ್ ಹೇಗೆ ಕೆಲಸ ಮಾಡುತ್ತದೆ ಎಂದು ಗಮನಿಸೋಣ . ಬಾಯ್ಲರ್ ನಲ್ಲಿ ನೀರನ್ನು ಕಾಯಿಸಿ , ಹೆಚ್ಚು ಒತ್ತಡದ ಹಬೆಯನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ . ಪಿಸ್ಟನ್ ನನ್ನು ಜೋಡಿಸಿದ ಸಿಲಿಂಡರ್ಗೆ ಹಬೆಯನ್ನು ಕಳುಹಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ . ಹಬೆಯು , ಅಷ್ಟೇ ಪ್ರಮಾಣದ ನೀರಿಗಿಂತ ಹೆಚ್ಚು ಸ್ಥಳವನ್ನು ಆಕ್ರಮಿಸುವುದರಿಂದ , ಅದು ಸಂಗ್ರಾಹಕದ ಗೋಡೆಗಳ ಮೇಲೆ ಎಲ್ಲ ದಿಕ್ಕುಗಳಲ್ಲಿ ಹೆಚ್ಚು ಒತ್ತಡವನ್ನು ಉಂಟುಮಾಡುತ್ತದೆ . ಸಿಲಿಂಡರ್ ಒಳಗೆ ಹಬೆಯು ವ್ಯಕೊಚನೆಗೊಳ್ಳುವುದರಿಂದ ಅದು ಪಿಸ್ಟನ್ ನನ್ನು ಮುಂದಕ್ಕೆ ತಳ್ಳುತ್ತದೆ . ಪಿಸ್ಟನ್ ನಿಗೆ ಸಂಪರ್ಕಿಸಿರುವ ವಕ್ರದಂಡವೂ ಸಹ ಚಲಿಸುತ್ತದೆ , ವಕ್ರದಂಡವು ಪಿಸ್ಟನ್ ನಿನ ಸರಳರೆಖೀಯ ಚಲನೆಯನ್ನು ಭಮಣೆಯನ್ನಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸುತ್ತದೆ . ವಕ್ರದಂಡದ ಚಕ್ರವು ವ್ಯಾಕೊಚಕ ಹೊಡೆತದಲ್ಲಿ ಅರ್ಧಸುತ್ತು ತಿರುಗುತ್ತದೆ.
ಹಬೆಯ ವ್ಯಾಕೊಚನದಿಂದಾಗಿ ಪಿಸ್ತನ್ ಮುಂದೆ ಸರಿಯುತ್ತದೆ . ಇದರ ಪರಿಣಾಮವಾಗಿ ಹಬೆಯು ಚಲನಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಕಳೆದುಕೊಳ್ಳುತ್ತದೆ . ಇದರಿಂದಾಗಿ ಹಬೆಯು ಸಾಂದ್ರಿಕರಿಸಿ ನೀರಾಗಿತ್ತದೆ . ಕಡಿಮೆ ಒತ್ತಡ ಪ್ರದೇಶ ಉಂಟಾದ ಕಾರಣ , ಪಿಸ್ತನ್ ಮತ್ತೆ ಸಿಲಿಂಡರ್ನ ಒಳಕ್ಕೆ ದೂದಿಕೆಯಾಗುತ್ತದೆ . ವಕ್ರದಂಡದ ಜಡತ್ವದ ಕಾರಣದಿಂದಾಗಿ , ಚಕ್ರವು ಇನ್ನರ್ಧ ಸುತ್ತು ತಿರುಗಿ ಒಂದು ಸುತ್ತನ್ನು ಪೂರ್ಣಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ . ಇದನ್ನು ವ್ಯಾಕೊಚಕ ಹೊಡೆತ ಎನ್ನುತ್ತಾರೆ . ಸಾಂದ್ರಿಕರಿಸಿದ ನೀರು ಹೊರಕ್ಕೆ ತಳ್ಳಲ್ಪಡುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಪುನಃ ಹಬೆ ಸಿಲಿಂಡರ್ ನೊಳಗೆ ಬಂದು ಈ ಕ್ರಿಯೆಯು ಪುನರಾವರ್ತಿತವಾಗುತ್ತದೆ . ಹಬೆ ಇಂಜಿನ್ ಗಳಲ್ಲಿ ಪ್ರಮುಖ ಇಂಧನ ವಾದ ಕಲ್ಲಿದ್ದಲನ್ನು ಇಂಜಿನ್ ನ ಹೊರಗೆ ಉರಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ.
ಹಬೆ ಇಂಜಿನ್ ಗಳಲ್ಲಿ ಕವಾಟಗಳೆಮ್ಬ ವಿಶೇಷವಾದ ಮುಚ್ಚಳಗಳಿವೆ . ಹಬೆಯನ್ನು ಸಿಲಿಂಡರ್ ಒಳಗೆ ಬಿಡಲು ಅಥವಾ ಹೊರಹೋಗುವಂತೆ ಮಾಡಲು ಕವಾಟಗಳು ಕೇವಲ ಒಂದು ದಿಕ್ಕಿನಲ್ಲಿ ಮಾತ್ರ ತೆರೆಯಲ್ಪದುತ್ತವೆ . ಹಿಂದಿನ ಕಾಲದಲ್ಲಿ ಕಾರುಗಳನ್ನು ತಯಾರಿಸಲು ಹಬೆ ಇಂಜಿನ್ ಗಳನ್ನೂ ಬಳಸಿದ್ದರು . ಅಲ್ಲದೆ, ರೈಲುಗಳಲ್ಲಿಯು ಸಹ ಅವುಗಳ ಬಳಕೆ ಇತ್ತು . ಆದರೆ ಹಬೆ ಇಂಜಿನ್ ಗಳ ದಕ್ಷತೆ ಕಡಿಮೆ ಇರುವುದರಿಂದ , ಈಗ ಸಾರಿಗೆ ವಾಹನಗಳಲ್ಲಿ ಅವುಗಳ ಬಳಕೆ ಇಲ್ಲವಾಗಿದೆ.
ಆದರ್ಶ ಉಷ್ಣಯಂತ್ರ (ಐಡಿಯಲ್ ಹೀಟ್ ಎಂಜಿನ್)
ಬದಲಾಯಿಸಿಉಷ್ಣಶಕ್ತಿಗೂ (H)ಯಾಂತ್ರಿಕ ಶಕ್ತಿಗೂ (W) ಅನ್ವಯಿಸುವಂತೆ ಎರಡು ಮುಖ್ಯ ನಿಯಮಗಳಿವೆ. ಮೊದಲನೆಯ ನಿಯಮದ ಪ್ರಕಾರ W=HA ಎಂಬ ಮುಖ್ಯ ಸಂಬಂಧವಿದೆ. ಇಲ್ಲಿ A ಉಷ್ಣಶಕ್ತಿಯ ಯಾಂತ್ರಿಕ ಸಾಮ್ಯಾಂಕ (ಮೆಕಾನಿಕಲ್ ಈಕ್ವಿವಲೆಂಟ್ ಆಫ್ ಹೀಟ್). Kgs ಏಕಮಾನಗಳಲ್ಲಿ A=4.18 ಜೌಲುಗಳು. ಎರಡನೆಯ ನಿಯಮದ ಪ್ರಕಾರ ಒಂದು ಸ್ವಯಂ ಕ್ರಿಯಾತ್ಮ ಯಂತ್ರದಲ್ಲಿ ನಡೆಯುವ ಒಂದು ಚಕ್ರದಲ್ಲಿ ಉಷ್ಣವನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಉಷ್ಣತೆಯ ಮಟ್ಟದಿಂದ ಹೆಚ್ಚಿನ ಉಷ್ಣತೆಯ ಮಟ್ಟಕ್ಕೆ ವರ್ಗಾಯಿಸುವುದು ಅಸಾಧ್ಯ.
ಈ ನಿಯಮಗಳನ್ನು ಅನುಸರಿಸಿ ಕಾರ್ನೋಟ್ ಎಂಬ ವಿಜ್ಞಾನಿ ಒಂದು ಆದರ್ಶ ಉಷ್ಣಯಂತ್ರದ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಯನ್ನೂ, ಅದಕ್ಕೆ ಸರಿದೂಗುವ ಆವರ್ತಚಕ್ರವನ್ನೂ ವಿವರಿಸಿದ್ದಾನೆ. ಇದು ಕಾರ್ನೋಟ್ ಚಕ್ರ ಎಂದು ಪ್ರಸಿದ್ಧವಾಗಿದೆ. ಇದು ಇಂದಿಗೂ ಬಳಕೆಯಾಗುತ್ತಿದೆ. ಆದರೆ ಇದು ಈ ಚಕ್ರ ಕೇವಲ ಅನಿಲ ಇಂಧನಕ್ಕೆ ಮಾತ್ರ ಅನ್ವಯಿಸುತ್ತದೆ.[೧]
ಉಲ್ಲೇಖ
ಬದಲಾಯಿಸಿM.I.T ವಿಶ್ವವಿದ್ಯಾನಿಲಯ