[فعالیت ۵-۵] [فیزیک] [دهم]
در مورد ماشینهای بخاری که امروزه در نیروگاههای گرمایی (حرارتی) استفاده میشوند و نحوهٔ کارکرد آنها تحقیق کنید و نتیجه تحقیق را در کلاس ارائه نمایید.
پاسخ تشریحی و گام به گام [فعالیت ۵-۵] [فیزیک] [دهم]
ماشینهای بخاری مدرن در نیروگاههای حرارتی (که با سوختهای فسیلی مانند گاز، زغالسنگ یا انرژی هستهای کار میکنند) بر اساس یک چرخه ترمودینامیکی به نام **چرخه رانکین (Rankine Cycle)** کار میکنند. این چرخه، فرآیندی است که طی آن، آب به طور مداوم بین حالت مایع و بخار در گردش است تا از انرژی گرمایی، کار مکانیکی (و سپس الکتریسیته) تولید کند.
**مراحل اصلی چرخه رانکین:**
1. **پمپ (Pump):**
* چرخه با آب مایع سرد و کمفشار شروع میشود. پمپ، این آب را با فشار بسیار زیاد به سمت دیگ بخار هدایت میکند. در این مرحله، کار کمی روی آب انجام میشود.
2. **دیگ بخار (Boiler):**
* در اینجا، گرمای حاصل از سوختن سوخت (یا واکنش هستهای) به آب پرفشار داده میشود. این گرما ابتدا دمای آب را به نقطه جوش میرساند و سپس آن را به **بخار اشباع** و در نهایت به **بخار فوق داغ (Superheated Steam)** با دما و فشار بسیار بالا تبدیل میکند. این مرحله، مرحله **ورود گرما ($Q_H$)** به سیستم است.
3. **توربین (Turbine):**
* بخار فوق داغ با فشار و دمای بالا، به سمت پرههای یک توربین عظیم هدایت میشود.
* این بخار با **انبساط** سریع، پرههای توربین را با سرعت بسیار بالایی به چرخش در میآورد. این حرکت چرخشی، **کار مفید (W)** چرخه است.
* این توربین به یک **ژنراتور** متصل است و با چرخاندن آن، **برق** تولید میشود.
4. **چگالنده (Condenser):**
* بخاری که از توربین خارج شده، فشار و دمای خود را تا حد زیادی از دست داده است. برای اینکه چرخه ادامه پیدا کند، این بخار باید دوباره به مایع تبدیل شود.
* در چگالنده، بخار از لولههایی عبور میکند که توسط آب سرد (معمولاً از یک رودخانه یا برجهای خنککننده) خنک میشوند.
* بخار با از دست دادن **گرمای نهان** خود به آب سرد، به آب مایع تبدیل (میعان) میشود. این مرحله، مرحله **خروج گرما ($Q_L$)** از سیستم است. بخار عظیمی که از برجهای خنککننده نیروگاهها بلند میشود، مربوط به همین فرآیند است.
سپس آب مایع دوباره توسط پمپ به دیگ بخار فرستاده میشود و این چرخه به طور مداوم تکرار میگردد.
