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स्टर्लिंग चक्र

1816-11-16
  • Robert Stirling
Stirling engine demonstrating thermodynamic principles in a laboratory setting.

(यह छवि केवल उदाहरण के लिए बनाई गई है)

आदर्श स्टर्लिंग चक्र एक बंद पुनर्योजी चक्र है। thermodynamic यह चक्र चार अलग-अलग प्रक्रियाओं से मिलकर बना है: समतापी प्रसार, समआयतनिक ऊष्मा निष्कासन, समतापी संपीडन और समआयतनिक ऊष्मा योग। कार्यकारी द्रव स्थायी रूप से बंद रहता है। इसकी सैद्धांतिक तापीय दक्षता कार्नोट चक्र दक्षता के बराबर है, जिसे [latex]eta_{th} = 1 – frac{T_C}{T_H}[/latex] द्वारा दर्शाया जाता है, जहाँ [latex]T_H[/latex] और [latex]T_C[/latex] क्रमशः गर्म और ठंडे जलाशयों के निरपेक्ष तापमान हैं।

The Stirling cycle’s four processes can be visualized on a Pressure-Volume (P-V) diagram. Process 1-2 is isothermal expansion, where the gas expands at a constant high temperature [latex]T_H[/latex], absorbing heat from the external source and performing work on the surroundings. Process 2-3 is isochoric (constant volume) heat removal, where the gas is passed through the regenerator, cooling to the low temperature [latex]T_C[/latex] and transferring heat to the regenerator matrix. Process 3-4 is isothermal compression, where the gas is compressed at constant temperature [latex]T_C[/latex], rejecting heat to the cold sink while work is done on the gas. Finally, process 4-1 is isochoric heat addition, where the gas passes back through the regenerator, picking up the stored heat and returning to temperature [latex]T_H[/latex].

आदर्श चक्र की उच्च दक्षता के लिए पुनर्योजी (रीजनरेटर) अत्यंत महत्वपूर्ण है। समआयतनिक चरणों के दौरान ऊष्मा को संग्रहित और वापस लौटाकर, यह सुनिश्चित करता है कि सभी बाहरी ऊष्मा विनिमय केवल समतापी प्रक्रियाओं के दौरान ही हो, ठीक कार्नोट चक्र की तरह। इससे स्टर्लिंग चक्र सैद्धांतिक रूप से दो दिए गए तापमानों के बीच संचालित होने वाले किसी भी ऊष्मा इंजन के लिए अधिकतम संभव दक्षता प्राप्त कर सकता है। व्यवहार में, वास्तविक स्टर्लिंग इंजन इस आदर्श से भिन्न होते हैं। सीमित ऊष्मा स्थानांतरण दरों और निरंतर पिस्टन गति के कारण प्रक्रियाएं पूरी तरह से समतापी या समआयतनिक नहीं होती हैं, जिससे पीवी आरेख पर गोल कोने बनते हैं और दक्षता कम हो जाती है।

UNESCO Nomenclature: 2212
ऊष्मागतिकी

Type

सार प्रणाली

व्यवधान

मूलभूत

उपयोग

व्यापक उपयोग

शगुन

  • सादी कार्नोट का आदर्श ऊष्मा इंजन चक्र का सिद्धांत (1824)
  • का विकास आदर्श गैस नियम बॉयल, चार्ल्स और गे-लुसैक के कार्यों से
  • ऊष्मागतिकी की प्रारंभिक अवधारणाएँ और ऊर्जा संरक्षण
  • पिस्टन और सिलेंडर तंत्र का आविष्कार

आवेदन

  • cryocoolers for electronics and मेडिकल इमेजिंग
  • सौर ऊर्जा डिश स्टर्लिंग सिस्टम में पीढ़ी
  • माइक्रो संयुक्त ताप एवं विद्युत (एमसीएचपी) इकाइयाँ
  • औद्योगिक प्रक्रियाओं से अपशिष्ट ऊष्मा पुनर्प्राप्ति प्रणाली
  • पनडुब्बियों और नौकाओं के लिए शांत ऊर्जा स्रोत
  • दूरस्थ क्षेत्रों में बायोमास-ईंधन से चलने वाले बिजली जनरेटर

पेटेंट:

  • GB 4081 of 1816

संभावित नवाचार विचार

  • निम्न तापमान अंतर का लाभ उठाने के लिए स्टर्लिंग इंजन का उपयोग करने वाले भूतापीय ऊर्जा संयंत्र
  • शरीर की गर्मी से चलने वाले प्रत्यारोपण योग्य, दीर्घकालिक कृत्रिम हृदय
  • क्रायोजेनिक cooling systems for quantum computers
  • आपदा राहत के लिए किसी भी ज्वलनशील पदार्थ पर चलने वाले पोर्टेबल पावर जनरेटर
  • इमारतों के लिए अति-शांत, उच्च-दक्षता वाले एचवीएसी सिस्टम
  • लंबे समय तक चलने वाली बिजली क्षमता वाले गहरे समुद्र में चलने वाले स्वायत्त जलमग्न वाहन (एयूवी)
  • रेडियोआइसोटोप ताप स्रोतों से संचालित मंगल ग्रह रोवर, जो स्टर्लिंग इंजनों से जुड़े होते हैं।
  • घरेलू स्तर पर संयुक्त ताप एवं विद्युत (सीएचपी) इकाइयों का उपयोग करने वाले वितरित विद्युत ग्रिड
  • डेटा केंद्रों के लिए उन्नत अपशिष्ट ऊष्मा पुनर्प्राप्ति
  • solar-powered water pumps for irrigation in developing nations
संबंधित विषय: स्टर्लिंग चक्र, ऊष्मागतिकी, समतापी, समआयतनिक, पुनर्योजी चक्र, ऊष्मा इंजन, कार्नोट दक्षता, बंद चक्र, कार्यकारी द्रव, ऊष्मीय दक्षता।

ऐतिहासिक संदर्भ

Glass apparatus demonstrating Charles's Law in a vintage laboratory setting.

चार्ल्स का नियम (आयतन-तापमान नियम)

चार्ल्स का नियम, जिसे आयतन-तापमान नियम या आयतन का नियम भी कहा जाता है, यह बताता है कि स्थिर दाब पर किसी आदर्श गैस के निश्चित द्रव्यमान के लिए, उसका आयतन उसके परम तापमान के सीधे समानुपाती होता है। इसे [latex]V propto T[/latex] या [latex]frac{V_1}{T_1} = frac{V_2}{T_2}[/latex] के रूप में व्यक्त किया जाता है। यह समदाबी (स्थिर दाब) परिस्थितियों में गर्म करने पर गैसों के विस्तार की प्रवृत्ति की व्याख्या करता है।
19th-century laboratory with scientists studying atomic structure and chemical reactions.

आधुनिक परमाणु सिद्धांत

परमाणु सिद्धांत के अनुसार, सभी पदार्थ परमाणुओं नामक अलग-अलग इकाइयों से बने होते हैं। एक तत्व में परमाणु होते हैं जिनके नाभिक में प्रोटॉनों की एक निश्चित संख्या होती है। पहले परमाणुओं को अविभाज्य माना जाता था, लेकिन अब यह ज्ञात है कि परमाणु उप-परमाणु कणों से मिलकर बने होते हैं: प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और इलेक्ट्रॉन। रासायनिक अभिक्रियाओं में इन परमाणुओं का पुनर्व्यवस्थापन होता है, और इस प्रक्रिया के दौरान परमाणुओं की स्थिति संरक्षित रहती है।
Laboratory setup demonstrating Avogadro's Law in physical chemistry with gas measurements.

एवोगैड्रो का नियम

एवोगैड्रो का नियम कहता है कि समान तापमान और दाब पर सभी गैसों के समान आयतन में अणुओं की संख्या समान होती है। इससे गैस के आयतन और पदार्थ की मात्रा (मोलों की संख्या) के बीच सीधा समानुपात स्थापित होता है। गणितीय संबंध को [latex]V propto n[/latex] या अधिक सामान्यतः [latex]V/n = k[/latex] के रूप में व्यक्त किया जाता है, जहाँ k एक स्थिरांक है।

स्टर्लिंग चक्र

Researcher studying fluid dynamics in a 19th-century laboratory, focusing on continuum assumption.

निरंतरता धारणा

निरंतरता की मान्यता तरल पदार्थों को असतत अणुओं के बजाय सतत पदार्थ के रूप में मानती है। यह सरलीकरण तब मान्य होता है जब समस्या का लंबाई पैमाना अंतर-आणविक दूरी से बहुत बड़ा होता है, जिससे घनत्व और वेग जैसे गुणों को अत्यंत छोटे बिंदुओं पर परिभाषित किया जा सकता है। इससे तरल प्रवाह के स्थूल व्यवहार का वर्णन करने के लिए अवकल समीकरणों का उपयोग संभव हो पाता है।
Laboratory setup for studying magnetic dipole moment in electromagnetism.

चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण

किसी चुंबक का चुंबकीय आघूर्ण एक सदिश राशि है जो उसके समग्र चुंबकीय गुणों को दर्शाती है। इसे एक चुंबकीय द्विध्रुव के रूप में देखा जा सकता है, जो उत्तर और दक्षिण ध्रुवों का एक काल्पनिक युग्म है जो एक निश्चित दूरी पर स्थित हैं। आघूर्ण दक्षिण ध्रुव से उत्तर ध्रुव की ओर इंगित करता है। किसी धारा परिपथ के लिए, चुंबकीय आघूर्ण [latex]vec{mu} = I vec{A}[/latex] होता है, जहाँ I धारा है और A क्षेत्रफल सदिश है।
Thermoelectric generator demonstrating Seebeck effect in solid state physics.

सीबेक प्रभाव

सीबेक प्रभाव तापमान अंतर का विद्युत वोल्टेज में प्रत्यक्ष रूपांतरण है। जब दो भिन्न चालकों या अर्धचालकों के जंक्शन पर तापमान प्रवणता लागू की जाती है, तो वोल्टेज उत्पन्न होता है। यह वोल्टेज तापमान अंतर के समानुपाती होता है, और समानुपाती स्थिरांक को सीबेक गुणांक (V = S cdot Delta T) के रूप में जाना जाता है।
1802
1808
1811
1816-11-16
1820
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1821
1802
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1816
1816-11-16
1820
1820
1822
Pressure cooker and aerosol can illustrating Gay-Lussac's Law in thermodynamics.

गे-लुसैक का नियम (दाब-तापमान नियम)

अमोंटन के नियम के रूप में भी जाना जाने वाला यह सिद्धांत बताता है कि स्थिर आयतन पर एक आदर्श गैस के निश्चित द्रव्यमान के लिए, उसका दाब उसके परम तापमान के सीधे समानुपाती होता है। इस संबंध को गणितीय रूप से [latex]P propto T[/latex] के रूप में या दो अवस्थाओं के बीच तुलना के रूप में [latex]frac{P_1}{T_1} = frac{P_2}{T_2}[/latex] के रूप में व्यक्त किया जाता है। यह समआयतनिक (स्थिर आयतन) परिस्थितियों में गैस के व्यवहार का वर्णन करता है।
Gas mixing apparatus in a vintage laboratory for thermodynamics applications.

डाल्टन का आंशिक दाब का नियम

डाल्टन का नियम कहता है कि अक्रियाशील गैसों के मिश्रण में, कुल दाब, प्रत्येक गैस के आंशिक दाबों के योग के बराबर होता है। किसी गैस का आंशिक दाब वह दाब होता है जो वह समान तापमान पर अकेले संपूर्ण आयतन में होने पर उत्पन्न करती है। इसका सूत्र है: [latex]P_{text{total}} = sum_{i=1}^{n} p_i[/latex]।
Electrode polarization in a Voltaic pile experiment demonstrating hydrogen gas formation.

इलेक्ट्रोड ध्रुवीकरण सीमा

वोल्टेइक बैटरी की एक प्रमुख खामी इलेक्ट्रोड ध्रुवीकरण है। संचालन के दौरान, तांबे के कैथोड पर उत्पन्न हाइड्रोजन गैस इसकी सतह पर बुलबुलों की एक इन्सुलेट परत बना लेती है। यह परत बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध को बढ़ाती है और प्रतिक्रिया के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र को कम करती है। परिणामस्वरूप, बैटरी का वोल्टेज और करंट आउटपुट उपयोग शुरू होने के कुछ ही समय बाद काफी गिर जाता है।
Experimental setup for measuring speed of sound in a perfect gas in acoustics.

एक आदर्श गैस में ध्वनि की गति

आदर्श गैस में ध्वनि की गति (c) उसके ऊष्मागतिकीय गुणों द्वारा निर्धारित होती है, न कि केवल उसके दाब या घनत्व द्वारा। सूत्र है c = √R_s T, जहाँ γ ऊष्मा धारिता अनुपात (c_p/c_v) है, R_s विशिष्ट गैस स्थिरांक है, और T परम तापमान है। अतः, ध्वनि गर्म गैस में अधिक तेज़ी से यात्रा करती है।
Regenerator matrix of a Stirling engine demonstrating thermal energy storage in thermodynamics.

स्टर्लिंग इंजन रीजनरेटर इकोनोमाइज़र

रीजनरेटर, जिसे 'इकोनॉमाइज़र' भी कहा जाता है, रॉबर्ट स्टर्लिंग का सबसे महत्वपूर्ण योगदान है और इंजन की उच्च दक्षता का मुख्य कारण है। यह एक आंतरिक ऊष्मा विनिमय यंत्र है जो चक्र के दौरान अस्थायी रूप से ऊष्मीय ऊर्जा को संग्रहित और मुक्त करता है। जब गर्म गैस ठंडी तरफ जाती है, तो वह रीजनरेटर मैट्रिक्स में ऊष्मा जमा करती है, जिसे ठंडी गैस गर्म तरफ लौटते समय ग्रहण कर लेती है।
Tensile testing machine measuring stress and strain in solid state physics.

Stress and Strain

इंजीनियरिंग तनाव (σ) लागू भार को मूल अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल (A₀) से भाग देने पर प्राप्त होता है, जबकि इंजीनियरिंग विकृति (इप्सिलॉन) लंबाई में परिवर्तन (ΔL) को मूल लंबाई (L₀) से भाग देने पर प्राप्त होती है। ये परिभाषाएँ, σ = F/A₀ और इप्सिलॉन = ΔL/L₀, तनाव-विकृति वक्रों को प्लॉट करने के लिए मूलभूत हैं, लेकिन यह मानती हैं कि परीक्षण के दौरान नमूने के आयाम स्थिर रहते हैं।
Electromagnet in a laboratory demonstrating electromagnetism principles.

विद्युतचुंबकत्व और विद्युतचुंबक

विद्युतचुंबक एक प्रकार का चुंबक है जिसमें विद्युत धारा द्वारा चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। धारा बंद करने पर चुंबकीय क्षेत्र समाप्त हो जाता है। आमतौर पर, इसमें एक तार को कुंडली के रूप में लपेटा जाता है। चुंबकीय क्षेत्र की प्रबलता धारा और कुंडली में घुमावों की संख्या के समानुपाती होती है। इस सिद्धांत की खोज हंस क्रिश्चियन ओर्स्टेड ने की थी।
Fluid dynamics researcher analyzing flow patterns using Navier–Stokes equations.

नेवियर-स्टोक्स समीकरण

नेवियर-स्टोक्स समीकरण श्यान द्रव पदार्थों की गति का वर्णन करने वाले अरैखिक आंशिक अवकल समीकरणों का एक समूह है। ये न्यूटन के द्वितीय नियम का कथन हैं, जो दाब प्रवणता, श्यान बल और बाह्य बलों के साथ संवेग परिवर्तनों को संतुलित करते हैं। एक असंपीड्य द्रव के लिए, समीकरण है: [latex]rho (frac{partial mathbf{v}}{partial t} + mathbf{v} cdot nabla mathbf{v}) = -nabla p + mu nabla^2 mathbf{v} + mathbf{f}[/latex].

(यदि तिथि अज्ञात है या प्रासंगिक नहीं है, उदाहरण के लिए "द्रव यांत्रिकी", तो इसके उल्लेखनीय उद्भव का एक अनुमानित आंकड़ा प्रदान किया गया है)

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