Artikel oor Carnot-enjinsiklus
Om uit te vind hoe om die doeltreffendheid van 'n hitte-enjin te verhoog, het 'n Franse wetenskaplike genaamd Sadi Carnot (1796-1832) in 1824 'n ideale hitte-enjin teoreties bestudeer. Op daardie tydstip was die eerste wet van termodinamika nog nie geformuleer nie, en ook nie die tweede wet van termodinamika nie. Die eerste wet was nog nie geformuleer nie, want wetenskaplikes het nog nie geweet dat hitte energie is nie. Nadat Joule en sy vriende in die 1830's eksperimente uitgevoer het, het wetenskaplikes eers met sekerheid geweet dat hitte energie is wat oorgedra word as gevolg van temperatuurverskille. Dus is die eerste wet van termodinamika na 1830 geformuleer. Sadi Carnot het in 1824 'n ideale hitte-enjin teoreties bestudeer. Die navorsing wat hy gedoen het, was eintlik om die doeltreffendheid van stoomenjins wat destyds in gebruik was, te verhoog. Die meeste stoomenjins was destyds minder doeltreffend.
Die siklus in 'n ideale hitte-enjin, ontwikkel deur Sadi Carnot, word die Carnot-siklus genoem. Voordat ons die Carnot-siklus hersien, is dit nuttig om onomkeerbare prosesse te verstaan. Elke natuurlik voorkomende proses van energietransformasie en -oordrag is gewoonlik onomkeerbaar. Byvoorbeeld, as ons ons hande teen mekaar vryf, voel hulle warm. In hierdie geval word hitte geproduseer deur die werk wat ons doen. Die proses is onomkeerbaar. Die hitte wat geproduseer word, kan nie op sigself werk verrig deur ons hande teen mekaar te vryf nie. Die doel van 'n hitte-enjin is om hierdie proses gedeeltelik om te keer, waar die hitte gebruik kan word om werk met die grootste moontlike doeltreffendheid te verrig. Vir 'n hitte-enjin om maksimum doeltreffendheid te bereik, moet ons alle onomkeerbare prosesse vermy. Natuurlik voorkomende hitte-oordrag is gewoonlik onomkeerbaar, daarom word pogings aangewend om hitte-oordrag te voorkom.
Wanneer die enjin hitte Q opneemH in plekke met hoë temperature (TH), moet die werkstof in die masjien ook by temperatuur T weesHNet so, as die enjin hitte Q verwyderL in plekke met lae temperature (TL), moet die werkstof in die masjien ook by temperatuur T weesLDus moet elke proses wat hitte-oordrag behels isotermies wees (dieselfde temperatuur). Omgekeerd, as die temperatuur van die werkende stof in die enjin tussen T isH en TL, daar mag geen hitte-oordrag wees tussen die masjien en 'n plek met 'n temperatuur T nie.H (hitteverskaffer) en 'n plek met 'n temperatuur TL (beskikking). Sodat die hitte nie ontsnap nie, moet die proses adiabaties uitgevoer word.
Die Carnot-siklus bestaan eintlik uit twee omkeerbare isotermiese prosesse en twee omkeerbare adiabatiese prosesse.
Die figuur regs toon die Carnot-siklus vir 'n ideale gas. Aanvanklik word hitte geabsorbeer tydens isotermiese uitbreiding (a-b). Tydens isotermiese uitbreiding word die temperatuur van die gas in die silinder konstant gehou.
Vervolgens sit die gas adiabaties uit sodat die temperatuur daarvan van T₂H na T₂L ( b-c) daal. T₂H = hoë temperatuur (Hoë temperatuur), T₂L = lae temperatuur (Lae temperatuur). Tydens adiabatiese uitbreiding kom geen hitte die silinder binne of verlaat dit nie. Daarna word die gas isotermies saamgepers (c-d). Tydens isotermiese kompressie word die gastemperatuur konstant gehou. Vervolgens word die gas adiabaties saamgepers (d-a). Omdat dit adiabaties saamgepers word, neem die gastemperatuur toe. Die gastemperatuur neem toe sodat die gasdruk ook toeneem. Alle prosesse in die Carnot-siklus is omkeerbaar.
Tydens isotermiese uitsetting en kompressie word die gastemperatuur konstant gehou. Die doel is om temperatuurverskille te vermy. Temperatuurverskille kan hitte-oordrag veroorsaak (’n onomkeerbare proses). Vir ’n isotermiese proses om plaas te vind (die gastemperatuur konstant te hou), moet die gas stadig uitgesit of saamgepers word. In werklikheid vind gasuitsetting of -kompressie vinniger plaas. Dit is as gevolg van turbulensie (onthou die vloeistofdinamika-onderwerp), wrywing, viskositeit, ens. Gevolglik sal ’n perfekte isotermiese proses nooit bestaan nie. In plaas daarvan vind adiabatiese uitsetting en kompressie vinnig plaas.
Die doel is om te verhoed dat hitte in of uit die silinder vloei. Wrywing, viskositeit en ander faktore verhoed perfekte adiabatiese uitbreiding en kompressie. Dit is belangrik om daarop te let dat die Carnot-enjin suiwer teoreties is; dit bestaan nie in ons alledaagse lewens nie. Alhoewel teoreties, dra die Carnot-enjin aansienlik by tot die ontwikkeling van termodinamika. Ten minste kan ons enige onomkeerbare prosesse identifiseer wat tydens die proses mag plaasvind en probeer om dit te minimaliseer, en sodoende die doeltreffendheid van ons ontwerpte hitte-enjin maksimeer.
'n Baie belangrike resultaat van die Carnot-enjin is dat vir 'n perfekte hitte-enjin, die ontvangde hitte (QH ) eweredig is aan die temperatuur TH en die hitte wat afgeweer word (QL ) eweredig is aan die temperatuur TL . Dus is die doeltreffendheid van 'n perfekte hitte-enjin:
Voorbeeldvraag 1:
'n Stoomenjin werk tussen 500 o C en 300 o C. Bepaal die ideale doeltreffendheid (Carnot-doeltreffendheid) van die stoomenjin.
Bespreking
Die temperatuur moet na die Kelvin-skaal omgeskakel word.
T H (hoë temperatuur) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (lae temperatuur) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Die ideale doeltreffendheid of doeltreffendheid van 'n perfekte hitte-enjin wat tussen 500 oC en 300 oC werk , is 26 %. As die enjin wat ons in die alledaagse lewe gebruik tussen 500 oC en 300 oC werk , is die maksimum doeltreffendheid wat die enjin kan bereik gewoonlik ongeveer 0,7 keer die ideale doeltreffendheid (18,2%).
Voorbeeldvraag 2:
'n Hitte-enjin ontvang 600 Joule hitte (Q) by 'n temperatuur van 300 o C, verrig 100 Joule werk (W) en verwerp 500 J by 'n temperatuur van 100 o C. Bepaal die werklike doeltreffendheid en ideale doeltreffendheid (Carnot-doeltreffendheid) van hierdie enjin...
Bespreking
Die temperatuur moet na die Kelvin-skaal omgeskakel word.
T H (hoë temperatuur) = 300 o C ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
T L (lae temperatuur) = 100 o C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
QL = 500 J
Enjindoeltreffendheid:
Die ideale doeltreffendheid of doeltreffendheid van 'n perfekte hitte-enjin wat tussen 300 oC en 100 oC werk , is 35 %. Die maksimum doeltreffendheid wat die enjin kan bereik, is gewoonlik ongeveer 0,7 keer die ideale doeltreffendheid = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J hitte wat gebruik kan word om werk te verrig).
Die werklike doeltreffendheid van hierdie enjin is 17% (slegs 100 J hitte word gebruik om werk te verrig). Daar is steeds ongeveer 147 J – 100 J = 47 J hitte wat gebruik kan word om werk te verrig. Dit sou goed wees as die doeltreffendheid van hierdie enjin verhoog kon word om die verliese wat ons aangaan, te verminder.
Voorbeeldvraag 3:
'n Masjien ontvang 1000 Joule hitte en produseer 400 Joule werk in elke siklus. Hierdie masjien werk tussen 500 o C en 200 o C. Wat is die werklike doeltreffendheid en ideale doeltreffendheid van hierdie masjien?
Bespreking
T H (hoë temperatuur) = 500 ° C - 500 + 273 = 773 K
T L (lae temperatuur) = 200 o C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
QL = 400 J
Enjindoeltreffendheid:
Die ideale doeltreffendheid van hierdie masjien is:
Ideale doeltreffendheid, ook bekend as Carnot-doeltreffendheid, is 40%. Werklike enjindoeltreffendheid is 60%. So 'n enjin bestaan nie. Dit is onmoontlik vir 'n enjin se doeltreffendheid om Carnot-doeltreffendheid te oorskry.
Voorbeeldvraag 4:
Vir die doeltreffendheid van die Carnot-enjin om 100% (1) te bereik, wat is die uitlaattemperatuur (TL ) wat benodig word?
Bespreking
Vir die doeltreffendheid van 'n perfekte hitte-enjin om 100% te bereik (al die insethitte kan gebruik word om werk te verrig), moet die uitlaattemperatuur (TL ) = 0 Kelvin wees.
Dit is onmoontlik om 'n temperatuur van 0 Kelvin te bereik. Hierdie stelling is die derde wet van termodinamika.
Omdat 0 Kelvin onmoontlik is om te bereik, kan 'n perfekte hitte-enjin nie 100% doeltreffendheid hê nie. Selfs 'n perfekte hitte-enjin kan nie 100% doeltreffendheid hê nie, wat nog te sê van die hitte-enjins wat ons in die alledaagse lewe gebruik.
Aangesien 100% doeltreffendheid nie deur 'n hitte-enjin bereik kan word nie, kan ons aflei dat dit onmoontlik is dat al die insethitte (QH ) gebruik kan word om werk te verrig. Daar moet 'n mate van hitteverlies (QL ) wees.
Dit is onmoontlik vir 'n hitte-enjin (wat in 'n siklus werk) om alle hitte in arbeid om te skakel (Tweede wet van termodinamika – Kelvin-Planck-stelling).
Die vetgedrukte, kursiefgedrukte teks hierbo is 'n spesiale stelling van die tweede wet van termodinamika. Dit word 'n spesiale stelling genoem omdat dit slegs op hitte-enjins van toepassing is. Omdat Kelvin en Planck dit geformuleer het, word dit ook die Kelvin-Planck-stelling genoem. Let op die teenwoordigheid van die woord "siklus" in die stelling hierbo. 'n Siklus is 'n proses wat herhaaldelik plaasvind. Dus werk 'n hitte-enjin aanhoudend. Die woord "siklus" word bygevoeg omdat alle hitte in werklikheid in werk omgeskakel kan word as die proses slegs een keer plaasvind.
In die eerste wet van termodinamika word verskeie termodinamiese prosesse verduidelik, insluitend isotermiese, isobariese, isochoriese en adiabatiese prosesse. In 'n isotermiese proses kan alle hitte in arbeid omgeskakel word (Q = W). Dit kan gebeur as die proses in slegs een stadium plaasvind. Let op die beeld hieronder:
Hierdie grafiek toon 'n isotermiese proses (isotermiese uitbreiding) wat in 'n enkele stap plaasvind. In hierdie proses word al die hitte (Q) omgeskakel in werk (W). Die hoeveelheid werk verrig = die gearseerde area.
Om nuttig te wees, moet 'n hitte-enjin aanhoudend werk (die proses moet herhaaldelik plaasvind, nie net in een stadium nie). Byvoorbeeld, 'n suier-stoomenjin. Die suier in 'n suier-stoomenjin moet aanhoudend na regs en links beweeg sodat die wiel kan draai (kan gebruik word om iets te beweeg). Die wiel kan nie draai as die suier slegs na regs beweeg nie, waarna dit stop (die proses vind slegs in een stadium plaas). As die proses herhaaldelik plaasvind (die suier beweeg aanhoudend na regs en links), is dit onmoontlik vir al die hitte om in werk omgeskakel te word (Kelvin-Planck se stelling). Kom ons kyk byvoorbeeld na die isotermiese proses wat in die grafiek hierbo getoon word.
Die grafiek aan die linkerkant toon isotermiese uitsetting (pyltjie afwaarts) en isotermiese samedrukking (pyltjie opwaarts). Die proses vind aaneenlopend isotermies plaas (geen werk word geproduseer nie). Die grafiek aan die regterkant toon isotermiese uitsetting (pyltjie afwaarts), isobariese samedrukking (pyltjie links) en isochoriese proses (pyltjie opwaarts). Uit hierdie twee grafieke is dit duidelik dat vir prosesse wat aaneenlopend plaasvind (siklus), daar altyd hitteverlies is. Dit is in ooreenstemming met die vorige Kelvin-Planck-stelling.
