کام کرنے والا سیال

سیال طاقت کے لیے، ایک کام کرنے والا سیال ایک گیس یا مائع ہے جو بنیادی طور پر قوت، حرکت یا مکینیکل توانائی کو منتقل کرتا ہے۔ ہائیڈرولکس میں، ہائیڈرولک اجزاء جیسے ہائیڈرولک پمپس، ہائیڈرولک سلنڈرز اور ہائیڈرولک موٹرز جو ہائیڈرولک مشینری، ہائیڈرولک ڈرائیو سسٹمز وغیرہ میں منظم ہوتے ہیں، کے درمیان پانی یا ہائیڈرولک سیال قوت کو منتقل کرتے ہیں۔ نیومیٹکس میں، کام کرنے والا سیال ہوا یا کوئی اور گیس ہے جو نیومیٹک اجزاء جیسے کمپریسر، ویکیوم پمپ، نیومیٹک سلنڈر اور نیومیٹک موٹرز کے درمیان قوت کو منتقل کرتی ہے۔ نیومیٹک نظاموں میں، کام کرنے والی گیس بھی توانائی کو ذخیرہ کرتی ہے کیونکہ یہ دبائی (compressed) جا سکتی ہے۔ (گیسیں گرم ہوتی ہیں جب وہ کمپریس کی جاتی ہیں اور جیسے جیسے وہ پھیلتی ہیں ٹھنڈی ہوتی ہیں؛ اس حادثاتی حرارت پمپ کا شاذ و نادر ہی فائدہ اٹھایا جاتا ہے) (گیسیں بھی گاڑھی ہو کر مائعات میں تبدیل ہو جاتی ہیں جب دبائی جاتی ہیں اور دباؤ کم ہونے پر وہ پھیل جاتی ہیں۔)

غیر فعال حرارت کی منتقلی کے لیے، کام کرنے والا سیال ایک گیس یا مائع ہوتا ہے، جسے عام طور پر کولنٹ یا حرارت کی منتقلی کا سیال کہا جاتا ہے، جو بنیادی طور پر ایصال حرارت، نقل حرارت اور/یا جبری نقل ( پمپڈ مائع کولنگ، ایئر کولنگ وغیرہ کو استعمال کرتے ہیں۔ )۔

ہیٹ انجن یا ہیٹ پمپ کا کام کرنے والا سیال ایک گیس یا مائع ہے، جسے عام طور پر ریفریجرینٹ، کولنٹ یا ورکنگ گیس کہا جاتا ہے، جو بنیادی طور پر تھرمل انرجی (درجہ حرارت کی تبدیلی) کو مرحلے میں تبدیلی اور/یا کمپریشن اور توسیع کی گرمی کے ذریعے مکینیکل انرجی (یا اس کے برعکس) میں تبدیل کرتے ہیں۔ مرحلے میں تبدیلی کے استعمال کی مثالوں میں بھاپ کے انجنوں میں پانی کی بھاپ اور زیادہ تر بخارات کمپریشن ریفریجریشن اور ایئر کنڈیشنگ سسٹم میں کلورو فلورو کاربن شامل ہیں۔ مرحلے میں تبدیلی کے بغیر مثالوں میں گرم ہوا کے انجنوں میں ہوا یا ہائیڈروجن شامل ہیں جیسے کہ سٹرلنگ انجن اور گیس سائیکل ہیٹ پمپ میں ہوا یا گیسیں وغیرہ۔ (کچھ ہیٹ پمپس اور ہیٹ انجن ایک پروٹوٹائپ ہیٹ انجن میں ایلسٹو کیلورک ریفریجریشن یا تھرمو الاسٹک کولنگ اور نکل ٹائٹینیم کے لیے "کام کرنے والے سالڈز" جیسے ربڑ بینڈ کا استعمال کرتے ہیں۔)

ہوا یا پانی کے علاوہ کام کرنے والے سیالوں کو لازمی طور پر ایک لوپ میں دوبارہ گردش میں استعمال کیا جاتا ہے۔ کچھ ہائیڈرولک اور غیر فعال حرارت کی منتقلی کے نظام پانی کی فراہمی اور/یا ماحول کے لیے کھلے ہوتے ہیں، بعض اوقات بریتھ فلٹرز کے ذریعے۔ ہیٹ انجن، ہیٹ پمپس اور غیر مستحکم مائعات یا خصوصی گیسوں کا استعمال کرنے والے نظام کو عام طور پر ریلیف والوز کے پیچھے مہر بند کیا جاتا ہے۔

خصوصیات اور حالتیں

کام کرنے والے سیال کی خصوصیات حرحرکیاتی نظام کی مکمل وضاحت کے لیے ضروری ہیں۔ اگرچہ کام کرنے والے سیالوں میں بہت سی طبیعی خصوصیات ہوتی ہیں جن کی تعریف کی جا سکتی ہے، لیکن حرحرکیاتی خصوصیات جو اکثر انجینئرنگ ڈیزائن اور تجزیہ میں درکار ہوتی ہیں کم ہیں۔ دباؤ، درجہ حرارت، اینتھالپی، اینٹروپی، مخصوص حجم اور اندرونی توانائی ان میں سب سے زیادہ عام ہیں۔

فائل:Property diagram.JPG

دبائو-حجم ڈایاگرام حالت (اسٹیٹ) کو دکھا رہا ہے (p,V)

اگر کم از کم دو حرحرکیاتی خصوصیات معلوم ہوں تو کام کرنے والے سیال کی حالت (اسٹیٹ) کی وضاحت کی جا سکتی ہے۔ یہ عام طور پر خصوصیات کی ڈایاگرام پر کیا جاتا ہے جو صرف ایک خصوصیت کا دوسری خصوصیت کے مقابل گراف ہے۔

فائل:Therm process.JPG

کام کرنے والے سیال کے لیے عام حرحرکیاتی پراسس (حالت 1 سے حالت 2 تک توسیع کا)

جب کام کرنے والا سیال انجینئرنگ اجزاء جیسے ٹربائنز اور کمپریسرز سے گزرتا ہے، تو کسی خصوصیات کی ممکنہ تبدیلیوں کی وجہ سے پراپرٹی ڈایاگرام پر نقطہ حرکت کرتا ہے۔ اس لیے ایک لکیر/گولائی کھینچنا ممکن ہے جو سیال کی حرحرکیاتی خصوصیات کو مکمل طور پر بیان کرے۔ تاہم حقیقت میں یہ صرف اس صورت میں کیا جا سکتا ہے جب یہ عمل ریورسیبل (الٹنے والا ) ہو۔ اگر نہیں، تو خصوصیات میں تبدیلیوں کو خصوصیات کی ڈایاگرام پر ایک نقطے والی لائن کے طور پر دکھایا جاتا ہے۔ یہ مسئلہ واقعی تھرموڈینامک تجزیہ کو متاثر نہیں کرتا ہے کیونکہ زیادہ تر معاملات میں یہ ایک عمل کی آخری حالت ہوتی ہے جس کی تلاش کی جاتی ہے۔

انتخاب

تفصیلی مضمون کے لیے Working fluid selection ملاحظہ کریں۔

مختلف قسم کے کام کرنے والے سیال استعمال کیے جاتے ہیں، یہ اس کے اپلیکیشن پر منحصر ہے۔ حرحرکیاتی چکر/سائیکل میں ایسا ہو سکتا ہے کہ کام کرنے والا سیال حالت کو گیس سے مائع میں تبدیل کرتا ہے یا اس کے برعکس۔ ہیلیم جیسی بعض گیسوں کو مثالی گیسوں کے طور پر لیا جا سکتا ہے۔ یہ عام طور پر انتہائی گرم بھاپ کے معاملے میں نہیں ہوتا ہے اور مثالی گیس کی مساوات واقعتا منعقد نہیں ہوتی ہے۔ تاہم بہت زیادہ درجہ حرارت پر یہ اب بھی نسبتاً درست نتائج دیتا ہے۔ حرحرکیاتی نظام کو ڈیزائن کرتے وقت کام کرنے والے سیال کی طبیعی اور کیمیائی خصوصیات انتہائی اہم ہوتی ہیں۔ مثال کے طور پر، ریفریجریشن یونٹ میں، کام کرنے والے سیال کو ریفریجرنٹ کہا جاتا ہے۔ امونیا گیس ایک عام ریفریجرینٹ ہے اور اسے بنیادی کام کرنے والے سیال کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ پانی کے مقابلے میں (جسے ریفریجرینٹ کے طور پر بھی استعمال کیا جا سکتا ہے)، امونیا نسبتاً زیادہ دباؤ کا استعمال کرتا ہے جس کے لیے زیادہ مضبوط اور مہنگے آلات کی ضرورت ہوتی ہے۔

ہوا کے معیاری چکروں میں جیسا کہ گیس ٹربائن سائیکلوں میں، کام کرنے والا سیال ہوا ہے۔ اوپن سائیکل گیس ٹربائن میں، ہوا ایک کمپریسر میں اس وقت داخل ہوتی ہے جب اس کا دباؤ بڑھ جاتا ہے۔ اس لیے کمپریسر کام کرنے والے سیال کے لیے کام کرتا ہے۔(مثبت کام)۔ اس کے بعد سیال کو ایک دہن والے چیمبر میں منتقل کیا جاتا ہے جہاں اس بار ایندھن کے جلانے کے ذریعہ اس میں حرارتی توانائی داخل کی جاتی ہے۔ اس کے بعد ہوا ایک ٹربائن میں پھیلتی ہے اس طرح ماحول کے خلاف کام کرتی ہے۔ (منفی کام)۔

مختلف کام کرنے والے سیالوں کی مختلف خصوصیات ہوتی ہیں اور خاص طور پر ایک کو منتخب کرنے میں ڈیزائنر کو اہم ضروریات کو سامنے رکھنا چاہیے۔ ریفریجریشن یونٹس میں، ریفریجریشن کی بڑی صلاحیت فراہم کرنے کے لیے زیادہ مخفی حرارت کی ضرورت ہوتی ہے۔

اپلیکیشنز اور مثالیں۔

مندرجہ ذیل جدول میں کام کرنے والے سیالوں کے عام استعمال اور ہر ایک کے لیے مثالیں دی گئی ہیں؛

اطلاق	کام کرنے والا سیال	مخصوص مثال
گیس ٹربائن سائیکل	ہوا
رینکائن سائیکل	پانی ↔ بھاپ ، پینٹین ، ٹولین
بخارات-کمپریشن ریفریجریشن ، ہیٹ پمپس	کلورو فلورو کاربن ، ہائیڈروکلورو فلورو کاربن، فلورو کاربن ، پروپین ، بیوٹین ، آئسوبوٹین ، امونیا ، سلفر ڈائی آکسائیڈ	کمرشل ریفریجریٹرز ، ایئر کنڈیشنر
دوبارہ قابل استعمال لانچ وہیکل قابل توسیع عمودی - لینڈنگ ٹانگیں۔	ہیلیم	اسپیس ایکس کا دوبارہ قابل استعمال لانچ سسٹم ڈویلپمنٹ

مزید دیکھیے

• گیسوں کی فہرست
• پانی کی طاقت کا انجن

کام

اگر ٹربائن میں استعمال کیا جائے تو کام کرنے والے سیال کو مفید کام کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس کے علاوہ حرحرکیاتی چکر/سائیکل میں توانائی کو کمپریسر کے ذریعے کام کرنے والے سیال میں داخل کیا جا سکتا ہے۔ اس کے لیے ریاضی فارمولے کی تشکیل کافی آسان ہو سکتی ہے اگر ہم ایک ایسے سلنڈر پر غور کریں جس میں کام کرنے والا سیال موجود ہے۔ پسٹن کا استعمال سیال میں مفید کام داخل کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔ میکانکس کے مطابق، حالت 1 سے حالت 2 تک کیا گیا کام جو اس عمل کے ذریعہ دیا گیا ہے:

$W=-\int _{1}^{2}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}$

جہاں ds ایک حالت سے دوسری حالت تک بڑھتا ہوا فاصلہ ہے اور F لاگو ہونے والی قوت ہے۔ منفی نشان متعارف کرایا گیا ہے کیونکہ اس معاملے میں حجم میں کمی پر غور کیا جا رہا ہے۔ صورت حال درج ذیل تصویر میں دکھائی گئی ہے۔

فائل:Piston cylinder.jpg

ایک سلنڈر-پسٹن ترتیب کے ذریعے کام کرنے والے سیال پر کام کا ان پٹ

قوت کو سلنڈر کے کراس سیکشنل ایریا اور اس پر موجود دباؤ کی پیداوار کے طور دیا جا سکتا ہے۔

${\begin{aligned}W&=-\int _{1}^{2}PA\cdot \mathrm {d} \mathbf {s} \\&=-\int _{1}^{2}P\cdot \mathrm {d} V\end{aligned}}$

جہاں A ⋅ ds = dV سلنڈر کے حجم کی بنیادی تبدیلی ہے۔ اگر حالت 1 سے 2 تک حجم بڑھتا ہے تو کام کرنے والا سیال دراصل اپنے ارد گرد پر کام کرتا ہے اور اسے عام طور پر منفی کام سے ظاہر کیا جاتا ہے۔ اگر حجم کم ہو جائے تو کام مثبت ہے۔ مندرجہ بالا انٹیگرل کے ساتھ دی گئی تعریف کے مطابق کیے گئے کام کی نمائندگی دباؤ-حجم ڈائیگرام کے تحت ایریا کے ذریعہ کی جاتی ہے۔ اگر ہم اس معاملے پر غور کریں جہاں ہمارے پاس مستقل دباؤ کا عمل ہوتا ہے تو کام بآسانی اس طرح سے دیا جا سکتا ہے؛

${\begin{aligned}W&=-P\int _{1}^{2}\mathrm {d} V\\&=-P\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right)\end{aligned}}$

ایک p–V ڈایاگرام پر دباؤ کا مستقل عمل