الدرس ٣: المحركات والثلاجات
انظر إلى بداية الدرس عن المحركات والثلاجات. المحرك الحراري يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، مثل محرك السيارة الذي يحرق الوقود لتتحول حرارته إلى حركة تزيد من سرعة السيارة. في آلة الاحتراق الداخلي، يحترق الوقود داخل حجرة خاصة تسمى الاسطوانة. عندما يتحرك المكبس صعوداً وهبوطاً، تتحول هذه الحركة الترددية إلى حركة دورانية تدير المحور الرئيسي. فكر في السؤال أسفل الصفحة: كيف يؤدي احتراق مخلوط الوقود والهواء إلى تحريك المكبس؟ الاحتراق يولد غازات ساخنة تتمدد وتدفع المكبس بقوة إلى أسفل.
يقوم المحرك الحراري بتحويل الطاقة الحرارية الناتجة عن احتراق الوقود إلى طاقة ميكانيكية تحرك السيارات والمركبات. تعتمد آلة الاحتراق الداخلي على حرق الوقود داخل حجرات إغلاق تسمى الأسطوانات، حيث يتحرك المكبس صعودا وهبوطا لتدوير المحور الرئيس. أما الثلاجات ومكيفات الهواء فتعمل بطريقة عكسية تماما؛ فهي آلات ناقلة للطاقة الحرارية تمتص الحرارة من داخل المكان البارد وتنقلها إلى الخارج باستخدام سائل تبريد يمر عبر صمام تمدد ومضخة ضاغطة. ففي الثلاجة مثلا، يمتص غاز التبريد الحرارة من الأطعمة فيصبح دافئا، ثم تضغطه المضاغط ليرتفع حرارته ويطرد الحرارة للخارج عبر شبكة المكثف ليتحول مرة أخرى إلى سائل.
الفكرة الأساسية
تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية عبر المحركات، ونقل الطاقة الحرارية من الأماكن الباردة إلى الخارج عبر الثلاجات ومكيفات الهواء.
الشرح
المحرك الحراري هو آلة تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية كما يحدث في سيارات الشارع والدراجات النارية. وفي آلات الاحتراق الداخلي، يحترق الوقود داخل حجرات خاصة تسمى الأسطوانات. يحتوي كل محرك على مكبس يتحرك صعودا وهبوطا داخل الأسطوانة بفعل انفجار الوقود، وهذه الحركة الترددية تتحول إلى حركة دورانية تحرك المحور الرئيس وعجلات السيارة. وفي محركات الديزل، يضغط الهواء في حجرة الاحتراق لدرجة عالية ليشتعل الوقود دون شمعة احتراق. أما في الثلاجات، فالأمر يختلف لأنها آلات ناقلة للطاقة الحرارية تمتص الحرارة من الأطعمة بداخله لتنقلها إلى الخارج عبر سائل تبريد خاص. يمر سائل التبريد خلال أسطوانة نحو حجرة التجميد ليمتص الحرارة، ويمر عبر صمام تمدد فينخفض ضغطه ويتحول من سائل إلى غاز وتنخفض حرارته. ثم يمرر الغاز البارد في أنابيب داخل الثلاجة ليمتص الحرارة فيصبح دافئا. بعد ذلك، تمر مضخة الضاغطة لتضغط غاز التبريد فيسخن نتيجة الضغط، ويتدفق غاز حرارته أعلى من درجة حرارة الغرفة خلال شبكة أنابيب تسمى المكثف ليفقد طاقته الحرارية إلى الهواء المحيط ويتحول إلى سائل من جديد.
مثال محلول خطوة بخطوة
عندما تريد فهم دورة المحرك الرباعية الأشواط في السيارة:
- في شوط الحقن: يتحرك المكبس إلى أسفل داخل الأسطوانة،فيدخل الهواء عبر صمام الحقن، ويححقن الوقود على شكل رذاذ في الأسطوانة.
- في شوط الضغط: يتحرك المكبس إلى أعلى، فيضغط مخلوط الوقود والهواء.
- في شوط الاشتعال: تعطي شمعة الاشتعال شرارة عند قمة شوط الضغط، فيشتعل المزيج وتتمدد الغازات الحارة الناتجة عن الاشتعال ضاغطة المكبس إلى أسفل، فيدور المحور الرئيس.
- في شوط العادم: يفتح صمام العادم، بينما يتحرك المكبس إلى أعلى دافعا الغازات الناتجة عن الاحتراق إلى خارج الأسطوانة.
أخطاء شائعة
- الاعتقاد بأن الثلاجة تنتج برودة من العدم، والصواب أنها آلة ناقلة للطاقة الحرارية تمتص الحرارة من الداخل وتطردها إلى الخارج.
- الخلط بين شوط الضغط وشوط الاشتعال، حيث يتم ضغط المزيج أولا ثم تأتي الشرارة لإشعاله.
سؤالان للتدريب مع الإجابة
- ما مصدر الطاقة الحرارية في محرك آلة الاحتراق الداخلي؟
- الإجابة: حرق الوقود داخل حجرات خاصة داخل جسم المحرك.
- صف كيف تعمل الثلاجة على تبريد الطعام باستخدام غاز التبريد؟
- الإجابة: يمتص غاز التبريد الطاقة الحرارية من داخل الثلاجة، ثم يضغط غاز التبريد فيجعله أساخن من الهواء خارج الثلاجة لتنتقل الحرارة للخارج.