یکی از شاخه‌های جذاب فیزیک ترمودینامیک است که در درک بهتر کمپرسورهای هوا بسیار کمک می کند. در مطلب فعلی تلاش می کنیم معرفی مختصری بر ترمودینامیکی آورده و قوانین اصلی حاکم بر آن را تشریح کنیم.

قوانین ترمودینامیک چه هستند؟

انرژی در اشکال مختلفی وجود دارد، من جمله انرژی حرارتی، فیزیکی، شیمیایی، الکترومغناطیسی (نوری) و انرژی الکتریکی. ترمودینامیک مطالعه‌ی انرژی حرارتی است، بدین معنا که قابلیت آن برای خلق تغییر در سیستم و یا انجام کار را بررسی می کند.

قانون اول ترمودینامیک اصول بقای انرژی را بیان میدارد. این قانون میگوید انرژي نه تولید می شود و نه از بین می رود، و در نتیجه برآیند انرژی موجود در یک سیستم بسته همواره ثابت خواهد بود و تنها از حالتی به حالتی دیگر تبدیل می شود. متعاقب این قانون، حرارت شکلی از اشکال انرژی است که می تواند از کار به دست آید و یا تبدیل به کار شود.

در کمپرسورهای دیزل “کار” حاصل از موتور دیزل و سوختن سوخت محورها و در نتیجه چرخ‌دنده‌ها را به چرخش در می آورد که این انرژی متعاقبا به هوای داخل کمپرسور منتقل شده و در نتیجه‌ی فشرده‌سازی در آن ذخیره میگردد. همین مکانیسم در کمپرسورهای برقی با بهره‌گیری از انرژی الکتریکی موتور الکتریکی پیاده می شود.

قانون دوم ترمودینامیک تمایل طبیعت برای حرکت به سمت بی نظمی مولکولی بیشتر را بیان می دارد. انتروپی سنجه‌ای برای این بی نظمی است: کریستال‌های جامد مقادیر اندک و گازها مقادیر بالایی انتروپی دارند. انرژی پتانسیل یک سیستم انرژی ایزوله‌ي که عامل انجام کار می باشد با افزایش انتروپی کاهش می یابد. قانون دوم ترمودینامیک امکان افزایش دما بدون انجام کار را منتفی می شمارد.

قوانین بویل و چارلز

بر اساس قانون بویل، در صورتی که دما ثابت باشد (ایزوترم)، حاصلضرب فشار و حجم ثابت خواهد بود.

P فشار مطلق و V حجم

بر اساس قانون چارلز، در فشار ثابت (ایزوبار)، حجم و دما متناسب و هم راستا تغییر می کنند.

V حجم و T دمای مطلق

قانون عمومی گازها ترکیبی از قوانین بویل و چارلز است. این قانون اثرگذاری فشار، حجم و دما بر یکدیگر را مدل می کند. اگر یکی از این متغیرها تغییر کند حداقل یکی از دو متغیر دیگر را تغییر خواهد داد.

P فشار مطلق، V حجم ویژه، T دمای مطلق، n تعداد مول‌ها و R ضریب ثابت گازها

ثابت گازها تنها به ویژگی‌های گاز بستگی دارد.

در کمپرسورهای هوا نیز این روابط را می توان مشاهده نموده و از آنها بهره برد. تا حد خوبی تمامی کمپرسورهایی که میشناسیم (متداول) بر پایه‌ی درک قانون بویل شکل گرفته اند. در کمپرسورهای پیستونی هوا در نتیجه‌ی کاهش حجم فشرده می شود (و البته دمای آن نیز افزایش می یابد، بر اساس قانون چارلز) و در کمپرسورهای اسکرو نیز از همین اصل در اسکروهای دوقلو به شکل هوشمندانه‌تری بهره جسته شده است.