בקטנה: מנועי חום, ההופכים אנרגיית חום לאנרגיה קינטית, הם אחד מהיסודות של התעשייה והתחבורה המודרניות. הם מבוססים על מחזורי עבודה שפותחו לפי חוקי התרמודינמיקה הקלאסית; בפוסט זה נסביר כיצד.
מכונת הקיטור
מכונת הקיטור הייתה המנוע הראשון שעשה שימוש בחום המופק מבעירת דלק, ושהשימוש בו הפך לנפוץ. עם זאת, העובדה שאדי מים בלחץ ובטמפרטורה גבוהים מאלו של סביבתם מסוגלים לגרום לתנועה מכנית של גופים – הייתה ידועה שנים רבות לפני המצאתה; במאה הראשונה לספירה בנה המתמטיקאי והממציא הרון מאלכסנדריה את כדור איאולוס, כדור מתכת חלול שבמרכזו עבר ציר סיבוב ובשתי הנקודות הרחוקות ביותר מן הציר הותקנו צינורות פליטה זוויתיים [2]. כאשר המים בכדור הורתחו והפכו לאדים, הם נפלטו בסילונים לשני צדדים מנוגדים וסובבו את הכדור על צירו.
רק בראשית המאה ה-18 החל השימוש במכונת הקיטור לצרכים תעשייתיים, והתפשט הודות לשורת שכלולים שהכניסו ממציאים כגון תומס ניוקומן וג'יימס וואט. מכונת הקיטור הייתה בעלת שימוש נרחב בתקופת המהפכה התעשייתית והניעה רכבות, ספינות קיטור ומיכון תעשייתי.
אחד הדגמים הטיפוסיים של מכונת קיטור היה מנוע בוכנה דו-צדדי ששימש להנעת קטרים. המנוע הופעל בכוח קיטור שהורתח בדוד מוסק בפחם והוזרם אל תוך צילינדר שבו נעה בוכנה המחוברת לארכובה שסובבה את גלגלי הקטר [3], [4]. שסתום דו-כיווני איפשר להזרים קיטור בטמפרטורה ובלחץ גבוהים אל תוך הצילינדר; לאחר שזה ביצע עבודה, כלומר הפך חלק מאנרגיית החום שלו לאנרגיה קינטית של הבוכנה, הוציא את הקיטור הקר יותר חזרה אל הדוד לחימום חוזר, או כפי שנעשה בדגמי מנועים רבים – פלט אותו אל האטמוספרה דרך שסתום (מכאן צליל הנשיפה המקוטע של רכבות הקיטור, במיוחד כאשר הן מאיצות וספיקת הקיטור דרך המנוע עולה, וגם הצורך לחדש את מלאי המים של הקטר במיכלי המים שבתחנות).
מחזור קרנו
את פעולתה של מכונת הקיטור ניתן לתאר כמחזור סגור של תנועת זורם, הקולט חום ממקור חום ופולט אותו אל הסביבה, ובין שתי פעולות אלו מבצע עבודה. בהנחה שטמפרטורות מקור החום וזו של הסביבה נותרות קבועות, מקובל לכנות אותן בשם "מאגרים", ציון לכך שהם אינם משתנים בתהליך (בעברית נפוץ השימוש במונח "אמבט חום/קור" עבור מאגרי המנוע, מתוך הבנה שמאגר גדול של מים ישמור על טמפרטורה קבועה ולכן במגע עם מערכת כלשהי יוכל לספק/לשאוב את החום אל/מהמערכת).
ניקולא סאדי קרנו, מהנדס ופיזיקאי צרפתי, תיאר את המחזור התרמודינמי של מנוע החום על פי כללי החוק השני של התרמודינמיקה [5]. במחזור קרנו מים הנמצאים בדוד (מאייד) קולטים חום ממקור חום שהטמפרטורה שלו גבוהה אך במעט משלהם (מיד נסביר מה חשיבות תנאי זה) הופכים לקיטור וזורמים אל בוכנה או טורבינה, שם הם מבצעים עבודה (חלק מהלחץ והטמפרטורה שלהם הופכים לאנרגיה קינטית) וזורמים הלאה אל מעבה. במעבה הם מתקררים לנוזל על ידי פליטת חום לסביבה, שהטמפרטורה שלה נמוכה מעט משלהם. משאבה המופעלת על ידי חלק קטן מן העבודה של הבוכנה (החלק הגדול יותר של העבודה משמש להנעת מתקן חיצוני, כמו גלגלי הקטר) שואבת את הנוזל חזרה אל הדוד לחימום ותחילת המחזור מחדש.
מחזור קרנו הוא אידאלי כיוון שהוא הפיך לחלוטין (הוא אינו גורם לשינוי באנטרופיה הכוללת של המערכת ושל הסביבה). הנצילות שלו (כמות החום ההופך לעבודה חלקי סך כל החום המועבר למאייד) תלויה רק בטמפרטורות המאגרים, החם והקר, ושווה למנה של הפרש שתיהן חלקי טמפרטורת המאגר החם. כמובן שהוא אינו ניתן למימוש מעשי: במנועים אמיתיים תמיד יהיה חיכוך מכני כלשהו הגורם לאיבוד אנרגיה; הפרשי החום בין המאגרים לבין הזורם אינם קטנים ואינם אחידים (כפי שנדרש כדי לקיים תהליך הפיך, שבו האנטרופיה לא משתנה) ולכן תמיד תגדל האנטרופיה הכוללת של המערכת ושל הסביבה. מכאן שהתהליך לא יוכל להיות הפיך והנצילות תהיה נמוכה יותר מזה של המחזור האידאלי.
מחזור רנקין
המודל התיאורטי לתיאור של מנוע חום שניתן לקרב אותו על ידי מכונת קיטור אמתית הוא המחזור התרמודינמי של רנקין, הקרוי על שם ויליאם ג'ון מקקורן רנקין, פרופסור להנדסה מכנית, מתמטיקאי ופיזיקאי שנחשב לאחד ממייסדי מדע התרמודינמיקה במאה ה-19. מבחינת המרכיבים, מחזור רנקין כולל גם הוא את המאייד, הטורבינה, המעבה והמשאבה. אולם, בניגוד למחזור קרנו, הוא מניח שהמשאבה שואבת מים (או זורם אחר) במצב נוזלי בלבד, כיוון שקשה מאוד לבצע פעולת שאיבה או דחיסה של תערובת נוזל וגז – ולהפוך את כולה לנוזל. בנוסף, הוא מניח שפעולת החימום של הנוזל ואידויו במאייד (הדוד) נעשית בלחץ קבוע. במחזור קרנו, לעומת זאת, פעולת החימום נעשית בטמפרטורה קבועה כאשר הקיטור מגדיל את נפחו ולחצו יורד עוד לפני הכניסה לטורבינה או לבוכנה – ושוב זו פעולה קשה מאוד למימוש (מחייבת קיום צנרת זרימה בעלת נפח ניתן לשינוי לפני הגעה לבוכנה). נצילותו של מחזור רנקין נמוכה יותר מזו של קרנו מכיוון שהוא מתחשב באי אידיאליות של רכיביו, שבהם מתרחש אובדן מסוים של אנרגיה לסביבה.
מחזור אוטו
"מנועי שריפה פנימית" הוא שם כולל למנועים בהם הזורם המבצע את העבודה הוא תוצר הבעירה עצמו, בניגוד למכונת הקיטור שבה הבעירה נעשית בתא נפרד ממנו (תא בעירה הצמוד לדוד). אחד הנפוצים שביניהם פועל לפי מחזור אוטו (על שם הממציא הגרמני ניקולאוס אוטו - Otto, ולא על שם האוטומוביל - Automobile) בעל ארבע הפעימות, ונקרא גם מנוע הצתת ניצוץ (Spark Ignition) או מנוע הבנזין, המניע מכוניות רבות.
ארבע הפעימות הידועות הן:
יניקה - הכנסת תערובת דלק-אוויר לחלל הצילינדר דרך שסתום הכניסה תוך כדי ירידת הבוכנה. דחיסה – הגדלת לחץ התערובת על ידי עליית הבוכנה והקטנת הנפח.
עבודה - הצתה על ידי ניצוץ חשמלי ודחיקה של הבוכנה מטה בלחץ הגז הנוצר בבעירה.
פליטה - הוצאת הגז דרך שסתום הפליטה על ידי עליית הבוכנה.
בחלק מן המקורות המתארים מחזור זה מתייחסים להצתה ולבעירה שנמשכות זמן קצר מאוד – כשלב בפני עצמו. ניתן להראות על ידי חישוב [1], [6] שהנצילות של מחזור אוטו תלויה ביחס הדחיסה: יחס הנפחים המינימלי והמקסימלי, או במהלך הבוכנה – המרחק אותו היא עוברת בין הנקודה התחתונה ביותר של מהלכה לבין הנקודה העליונה ביותר של מהלכה. ככל שיגדל יחס הדחיסה, תגדל הנצילות בצורה אסימפטוטית עד לגבול האפשרי עבור טמפרטורת בעירה מסוימת. יש לציין שהגדלת יחס הדחיסה מתאפשרת בעזרת הגדלת טמפרטורת ההצתה העצמית של הדלק (אחת התופעות המזיקות היא "צלצולים", או הצתה עצמית של התערובת בשל הטמפרטורה והלחץ הגבוהים לפני הגעה להפעלת המצת).
מחזור דיזל
סוג נוסף של מנוע שריפה פנימית נפוץ הוא מנוע דיזל (על שם הממציא רודולף דיזל), המשמש גם הוא במכוניות, וכן להנעת כלי רכב כבדים כמו משאיות, רכבות וספינות, הנעת גנרטורים ועוד. במנוע דיזל מחזור העבודה גם הוא בעל ארבע פעימות, לפי הסדר הבא:
יניקה – של אוויר בלבד דרך שסתום הכניסה.
דחיסה – על ידי עליית הבוכנה והגדלת לחץ האוויר.
הזרקת דלק, הצתה ועבודה – הדלק מוזרק לחלל הצילינדר כאשר הבוכנה מגיעה לנקודה העליונה ביותר ואז מתרחשת הצתה בשל החום והלחץ הגבוהים של תערובת האוויר והדלק (ולכן נקרא גם מנוע "הצתת דחיסה"). הבוכנה נדחפת מטה בשל הלחץ שיוצרת הבעירה עד לנקודה התחתונה ביותר של מהלכה.
פליטה - הבוכנה עולה וגורמת להוצאת תוצרי הבעירה דרך שסתום הפליטה.
היתרון של מחזור דיזל לעומת מחזור אוטו (מלבד שלא נדרשת לו מערכת הצתה חשמלית) הוא שניתן להפעיל אותו ביחס דחיסה גבוה יותר, כיוון שהדלק מוזרק רק ברגע בו מתוכננת להתחולל הצתה ולכן אין סיכון של הצתה מוקדמת. אם הטמפרטורה והלחץ המרביים של שני המחזורים זהים וכן ההספק הנדרש מן המנוע זהה, מנוע דיזל יהיה בעל נצילות גבוהה יותר ולכן חסכוני יותר.
לסיכום, מנועי החום פועלים במחזורים תרמודינמיים שונים, חלקם בשריפה חיצונית וחלקם בשריפה פנימית. אחדים מהם, כמו מחזור אריקסון, מנצלים את החום הנותר של תוצרי הבעירה לאחר ביצוע העבודה לשם חימום הזורם במערכת (תהליך הנקרא רה-גנרציה). מחזור נוסף הנמצא בשימוש נפוץ הוא מחזור ברייטון, המתאר את פעולתן של טורבינות הגז ובכללן מנועי הסילון השונים. בחלק מן המנועים המחזורים הם רב שלביים, לצורך הקטנת איבודי החום והגדלת הנצילות.
סוג נוסף של מחזורים תרמודינמיים נקרא משאבות חום, עליהן מבוססת פעולת הקירור של מקררים ומזגנים, ואותם נתאר בפרק הבא.

<< לפוסט הקודם בסדרה   לפוסט הבא בסדרה>>

מקורות והרחבה:

• [1] Fundamentals of Classical Thermodynamics, Gordon J. Van Wylen and Richard E. Sonntag
• Thermopedia – Rankine cycle
• Diesel cycle
• How Car Engines Work
• How Diesel Engines Work

עריכה לשונית: שלומי ג'מו