المحركات والثلاجات

المحركات والثلاجات

المحركات الحرارية

تُستخدم المحركات الحرارية في السيارات والشاحنات وغيرها من المركبات، ومنها الدراجة النارية الموضحة في الشكل ٩.
المحرك الحراري (Heat Engine) آلة تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. والطاقة الميكانيكية تمثل مجموع طاقتي الحركة والوضع للجسم. فعندما يعمل محرك السيارة يحوّل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، ويزيد من سرعة السيارة وطاقتها الحركية.

آلة الاحتراق الداخلي

آلة الاحتراق الداخلي (Internal Combustion Machine) تتميز بأنها تحوي داخلها حجرة احتراق خاصة يحترق فيها الوقود. وتستخدم العديد من المركبات والآليات آلة الاحتراق الداخلي، ومنها السيارات والشاحنات والقوارب والطائرات وحتى مجزّ العشب.
تتكون محركات معظم السيارات من أربع حجرات احتراق أو أكثر، وتسمى الحجرة الأسطوانة؛ لأنها أسطوانية الشكل. وكلما زاد عدد أسطوانات المحرك زادت قدرته.
ويوجد في كل أسطوانة مكبس يتحرك داخلها إلى أعلى وإلى أسفل. وتُحقن الأسطوانة بخليط من الوقود والهواء، ثم يُشعل هذا الخليط بشمعة الاحتراق؛ حيث يشتعل الوقود بشكل انفجاري فيدفع المكبس إلى أسفل. وتتحول الحركة الترددية للمكبس (صعودًا وهبوطًا) إلى حركة دورانية تُدير المحور الرئيس للمحرك، الذي يُدير بدوره عجلات السيارة.
ويبين الشكل ١٠ مراحل عمل آلة الاحتراق الداخلي في تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية خلال دورة الأشواط الأربعة.
لقد تم تصميم أشكال متعددة من آلة الاحتراق الداخلي. ففي محرك الديزل يُضغط الهواء في حجرة الاحتراق لدرجة حرارة عالية؛ بحيث يشتعل الوقود دون الحاجة إلى شمعة الاحتراق. أما محرك مجزّ العشب فهو محرك يعمل بالبنزين، ويدمج عادة الأشواط الأربعة في شوطين؛ حيث يكون الشوط الأول خليطًا من شوطي الحقن والضغط، ويكون الشوط الثاني خليطًا من شوطي الاشتعال والتخلص من العادم.

ماذا قرأت؟
كيف يؤدي احتراق خليط الوقود والهواء إلى تحريك المكبس؟

في هذا الدرس

الأهداف

• تصف عمل المحرك الحراري.
• تصف كيف تعمل آلة الاحتراق الداخلي.
• توضح كيف تعمل الثلاجة على نقل الطاقة الحرارية.

الأهمية
تمكننا المحركات الحرارية من السفر مسافات بعيدة.

مراجعة المفردات
الشغل: هو نقل الطاقة عن طريق التأثير بقوة لمسافة محددة.

المفردات الجديدة

• المحرك الحراري
• آلة الاحتراق الداخلي

الشكل ٩
يعمل محرك الدراجة النارية والقوارب على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية تتحول بدورها إلى شغل مفيد.

ص163

دورة المحرك الرباعية الأشواط

الشكل ١٠
معظم السيارات الحديثة مزودة بمحرك احتراق داخلي رباعي الأشواط. يحول المحرك (آلة الاحتراق الداخلي) الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية عندما يحترق البنزين داخل حجرات الاحتراق. وتعرف حجرات آلة الاحتراق الداخلي بالأسطوانات. تبين الأشكال التالية الأشواط الأربعة في آلة الاحتراق الداخلي.

شوط الحقن (أ)

في شوط الحقن يتحرك المكبس إلى أسفل داخل الأسطوانة، فيدخل الهواء عبر صمام الحقن، ويُحقن الوقود على شكل رذاذ في الأسطوانة.
تسميات داخل الرسم: صمام الحقن – حاقن الوقود – الأسطوانة – المكبس.

شوط الضغط (ب)

في شوط الضغط يتحرك المكبس إلى أعلى، فيضغط خليط الوقود والهواء.
تسميات داخل الرسم: مزج الهواء والوقود.

شوط الاشتعال (ج)

في شوط الاشتعال تُعطي شمعة الاشتعال شرارة عند قمة شوط الضغط، فيشتعل المزيج، وتمتد الغازات الحارة الناتجة عن الاشتعال ضاغطة المكبس إلى أسفل، فيدور المحور الرئيس.
تسميات داخل الرسم: شمعة الاشتعال – المحور الرئيس.

شوط العادم (د)

في شوط العادم يفتح صمام العادم، بينما يتحرك المكبس إلى أعلى دافعًا الغازات الناتجة عن الاحتراق إلى خارج الأسطوانة.
تسميات داخل الرسم: صمام العادم – الغازات العادمة.

ص164

الثلاجات

إذا كان انتقال الطاقة الحرارية من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة فقط، فكيف للثلاجة أن تعمل على تبريد ما بداخلها إلى ما هو أقل من درجة حرارة الهواء الخارجي؟
تعد الثلاجة آلة ناقلة للطاقة الحرارية؛ فهي تمتص الطاقة الحرارية من الأطعمة التي بداخلها، ثم تنقل هذه الطاقة إلى خارجها؛ ليتم فقدها إلى الوسط المحيط. وتحوي الثلاجة سائل تبريد يُضخ عبر أنابيب خاصة داخل الثلاجة وخارجها. سائل التبريد هو المادة التي تحمل الطاقة الحرارية من داخل الثلاجة إلى خارجها.

امتصاص الطاقة الحرارية

يبين الشكل ١١ كيف تعمل الثلاجة. يُجبر سائل التبريد على الحركة خلال أنبوب نحو حجرة التجميد (الفريزر)، ويمر في أثناء ذلك من صمام تمدد خاص، حيث ينخفض ضغطه، ويتحول من سائل إلى غاز، وتنخفض درجة حرارته كثيرًا. ويمر الغاز البارد بعد ذلك في أنابيب داخل الثلاجة. ولأن غاز التبريد بارد جدًا فإنه يمتص الطاقة الحرارية من داخل الثلاجة فيصبح أدفأ.

فقد الطاقة الحرارية

على الرغم من امتصاص غاز التبريد للحرارة في المرحلة السابقة إلا أن الغاز يبقى أبرد من الهواء الخارجي، فلا يمكنه نقل الطاقة الحرارية التي امتصها إلى الهواء. ويمر غاز التبريد خلال المضخة الضاغطة التي تضغطه، فيسخن نتيجة لذلك، وتصبح درجة حرارته أعلى من درجة حرارة الغرفة. ثم يتدفق الغاز خلال شبكة أنابيب تسمى المكثف، فيفقد طاقته الحرارية إلى الهواء المحيط، ويتحول إلى سائل. ثم يتم ضخه مرة أخرى إلى صمام التمدد، لتعاد الدورة من جديد.

الشكل ١١
تعمل الثلاجة على نقل الطاقة الحرارية من داخلها إلى خارجها باستخدام غاز التبريد، وتوفر المضخة الضاغطة الطاقة اللازمة لعمل ذلك.
ارسم مخططًا يبين تغير درجة حرارة غاز التبريد في أثناء دورة كاملة.

تسميات الشكل ١١ (داخل المخطط):
وحدة التجميد – بخار التبريد – صمام التمدد – سائل التبريد – ملفات التكثيف – مضخة ضاغطة – تطرد حرارة إلى المنطقة المحيطة.

الربط مع المهن: الهندسة الميكانيكية

المهندسون الميكانيكيون هم الذين يصممون المحركات والآلات، ويدرس بعض المهندسين أفضل الطرائق لزيادة كفاءة المحركات في تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية.

ص165

مكيفات الهواء

تعمل أغلب مكيفات الهواء بالطريقة نفسها التي تعمل بها الثلاجة. ولعلك شاهدت وحدات التكييف خارج العديد من المنازل؛ كما هو الحال في الثلاجات؛ حيث يقوم سائل التبريد بامتصاص الحرارة من المنزل عندما يمر في شبكة الأنابيب داخل المنزل، ثم يُضغط السائل في المضخة الضاغطة ليصبح أدفأ، ويرتحل عبر الأنابيب الموجودة خارج المنزل حيث ينقل الطاقة الحرارية إلى الهواء الخارجي.

المضخات الحرارية

تستخدم في بعض المباني مضخات حرارية للتدفئة في فصل الشتاء، والتبريد في فصل الصيف. ويكون عملها مشابهًا لعمل كل من المكيف والثلاجة؛ حيث تقوم بنقل الطاقة الحرارية من مكان إلى آخر.
ففي حالة التدفئة – كما يبينها الشكل ١٢ – يقوم سائل التبريد بامتصاص الطاقة الحرارية من الملفات الخارجية، ثم يُضغط مكتسبًا المزيد من الطاقة الحرارية لنقلها إلى داخل المنزل، حيث يفقد الطاقة الحرارية عن طريق ملفاته الداخلية.
أما عندما تستخدم المضخة الحرارية للتبريد فإنها تعمل على امتصاص الطاقة الحرارية من داخل المنزل، ثم نقلها إلى خارج المنزل لتفقد.

الشكل ١٢
المضخة الحرارية تعمل على تدفئة المنازل بنقل الطاقة الحرارية من خارج المنزل إلى داخله.
تسميات داخل الشكل: ملفات داخلية – ملفات خارجية – مضخة ضاغطة – صمام تمدد – هواء بارد – هواء ساخن.

اختبر نفسك

• ارسم مخططًا تبين فيه حركة سائل التبريد، وانتقال الحرارة في أثناء عمل المضخة الحرارية لتبريد المنزل.
• وضح لماذا لا يستخدم محرك الديزل شمعات احتراق؟
• بين مصدر الطاقة الحرارية في محرك الاحتراق الداخلي.
• حدد ما إذا كان من الممكن تبريد المطبخ بترك باب الثلاجة مفتوحًا. وضح إجابتك.
• صف كيف تعمل الثلاجة على تبريد الطعام باستخدام غاز التبريد؟
• التفكير الناقد وضح كيف يمكن استخدام مكيف الهواء لتدفئة المنزل؟
• تطبيق المهارات رسم خريطة مفاهيمية تبين تسلسل خطوات عمل آلة الاحتراق الداخلي ذات الأشواط الأربعة.

الخلاصة

المحركات الحرارية والطاقة

• المحرك الحراري أداة تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.
• آلة الاحتراق الداخلي محرك حراري يحرق الوقود في حجرات خاصة داخل جسم المحرك.

الثلاجة والمضخة الحرارية

• يعمل سائل التبريد في الثلاجة على نقل الطاقة الحرارية إلى خارجها.
• يمتص غاز التبريد الطاقة الحرارية من داخل الثلاجة.
• ضغط غاز التبريد يجعله أسخن من هواء خارج الثلاجة.
• تعمل المضخة الحرارية على التسخين من خلال امتصاصها للطاقة الحرارية من الهواء في الخارج وفقدها للطاقة داخل المبنى.