İstilik mühərrikinin səmərəliliyini necə artıracağını öyrənmək üçün Sadi Karno (1796-1832) adlı bir fransız alimi 1824-cü ildə ideal nəzəri kalorili maşını araşdırdı. O dövrdə nə termodinamikanın birinci qanunu, nə də termodinamikanın ikinci qanunu formalaşdırılmamışdı. Birinci qanun formalaşdırılmamışdır, çünki elm adamları hələ istiliyin enerji olduğunu bilmirlər. Joule və həmkarları 1830-cu illərdə təcrübələr apardıqdan sonra elm adamları istilik temperatur fərqlərinə görə hərəkət edən enerji olduğunu kəşf etdilər. Beləliklə, termodinamikanın birinci qanunu 1830-cu ildən sonra formalaşdırıldı. Sadi Karno 1824-cü ildə nəzəri ideal kalorili mühərrik üzərində tədqiqat aparırdı. Onun tədqiqatı əslində buxar mühərrikinin səmərəliliyini artırmaq idi. O dövrün əksər buxar mühərrikləri daha az səmərəli idi.
Sadi Karno fikrinin ideal istilik mühərrikindəki dövr Karno dövrü adlanır. Karno dövrünü öyrənməzdən əvvəl dönməz prosesi yenidən başa düşdük. Enerji dəyişikliyi və enerji ötürülməsinin hər bir prosesi dönməz şəkildə baş verir. Məsələn, əllərimizi ovuşdururuq ki, əllərimiz isti olsun. İstilik gördüyümüz iş vasitəsilə yaranır. Proses dönməzdir. İstilik əllərimizi ovuşdura bilməz.
İstilik mühərrikinin məqsədi bu prosesin bir hissəsini tərsinə çevirməkdir, burada istiliyin mümkün olan ən yüksək səmərəliliklə iş görmək üçün istifadə edilə biləcəyi. İstilik mühərrikinin maksimum səmərəliliyə malik olması üçün bütün dönməz proseslərdən qaçınmalıyıq. İstilik ötürülməsi təbii olaraq dönməzdir, ona görə də istiliyin hərəkəti baş verməməlidir.
Mühərrik istiliyi (QH) yüksək temperaturda (TH) qəbul etdikdə , maşındakı işçi maye də TH temperaturunda olmalıdır . Eynilə, mühərrik QL istiliyini aşağı temperaturda (TL) çıxarırsa , maşındakı işçi maye də TL temperaturunda olmalıdır . Beləliklə, istilik ötürülməsi ilə əlaqəli hər hansı bir proses izotermik olmalıdır (eyni temperatur). Əksinə, maşındakı iş parçasının temperaturu TH ilə TL arasındadırsa , TH temperaturu olan yer (istilik tədarükçüsü) olan maşınla TL temperaturu (axıdılması) olan sahə arasında istilik ötürülməsi baş vermir . İstilik hərəkət etmədiyi üçün proses adiabatik şəkildə aparılmalıdır.
Karno dövrü iki geri dönən izotermik prosesdən və iki geri dönən adiabatik prosesdən ibarətdir.
Yan tərəfdəki şəkil ideal qaz üçün porşen Karno dövrüdür. Əvvəlcə istilik izotermik genişlənmə (ab) zamanı udulur. İzotermik genişlənmə zamanı silindrdəki qaz temperaturu sabit saxlanılır.
Daha sonra qaz adiabatik şəkildə genişlənir və beləliklə temperatur T H- dən T L -ə (bc) düşür. T H = yüksək temperatur, T L = aşağı temperatur. Adiabatik genişlənmə zamanı silindrə istilik daxil olmur və ya çıxmır. Bundan sonra qaz izotermik preslənir (cd). İzotermik presləmə zamanı qazın temperaturu sabit saxlanılır. Daha sonra qaz adiabatik preslənir (da). Adiabatik olaraq basıldığı üçün qazın temperaturu artır. Qazın temperaturu artır və beləliklə qaz təzyiqi də artır. Karno dövründəki bütün proses geri dönür.
İzotermik genişlənmə və izotermik preslər zamanı qazın temperaturu sabit saxlanılır. Məqsəd hər hansı bir temperatur fərqinin qarşısını almaqdır. Temperatur fərqinin mövcudluğu istilik ötürülməsinə (dönməz proses) səbəb ola bilər. İzotermik prosesin baş verməsi üçün (qazın temperaturu həmişə sabitdir) qaz tədricən genişlənməlidir və ya preslənməlidir. Əslində, genişlənmə və ya qazın basılması daha tez baş verir. Bu, turbulentlik (dinamik maye materialını xatırlayın), sürtünmə, özlülük və s. səbəbindən baş verir. Nəticədə, mükəmməl izotermik proses heç vaxt mövcud olmayacaq. Əksinə, adiabatik genişlənmə və basılma sürətlidir.
Məqsəd istiliyin silindrə və ya silindrdən axmasının qarşısını almaqdır. Sürtünmə, özlülük və s. mövcudluğu tam adiabatik genişlənməyə və vurğuya səbəb olmur. Nəzərə alın ki, Carnot mühərriki yalnız nəzəri xarakter daşıyır. Carnot maşını həyatımızda mövcud deyil. Yalnız nəzəri olsa da, Carnot mühərrikinin mövcudluğu termodinamikanın faydalı inkişafıdır. Proses zamanı baş verə biləcək hər hansı dönməz proseslər barədə heç olmasa məlumatlı olmaq və mühərrikin səmərəliliyinin maksimum olması üçün onları minimuma endirməyə çalışmaq olar.
Carnot mühərrikinin əhəmiyyətli nəticəsi mükəmməl mühərrik istiliyidir, alınan istilik (QH ) yüksək temperaturla (TH ) , ərimiş işlənmiş qaz (QL) isə aşağı temperaturla (TL) mütənasibdir . Beləliklə, mükəmməl istilik mühərrikinin səmərəliliyi aşağıdakı kimidir:
Bu, ideal istilik mühərrikinin səmərəliliyinin tənliyidir.
Sual 1:
Buxar mühərriki 500 ° C ilə 300 ° C arasında işləyir. Buxar mühərrikinin ideal səmərəliliyini (Karno səmərəliliyi) təyin edin.
Həll
Temperatur Kelvin şkalasına çevrilməlidir.
T H (yüksək temperatur) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (aşağı temperatur) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
500 °C ilə 300 °C arasında işləyən mükəmməl istilik mühərrikinin səmərəliliyi 26% -dir. Gündəlik həyatımızda istifadə etdiyimiz maşınlar 500 °C ilə 300 °C arasında işlədikdə, maşınların əldə edə biləcəyi maksimum səmərəlilik ideal səmərəliliyin təxminən 0.7 dəfəsini (18.2%) təşkil edir.
Sual 2:
İstilik mühərriki 300 °C temperaturda 600 J enerji alır, 100 Coul iş görür (Vt) və 100 °C-də 500 J enerji sərf edir. Bu maşının faktiki səmərəliliyini və ideal səmərəliliyini (Karno səmərəliliyini) təyin edin.
Temperatur Kelvin şkalasına çevrilməlidir
T H (yüksək temperatur) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
T L (aşağı temperatur) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
Mühərrikin səmərəliliyi:
Bu cihazın ideal səmərəliliyi:
300 °C ilə 100 °C arasında işləyən mükəmməl istilik mühərrikinin səmərəliliyi 35%-dir. Maşının əldə edə biləcəyi maksimum səmərəlilik adətən ideal səmərəliliyin təxminən 0.7 mislidir = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J iş görmək üçün sərf olunan istilik).
Bu maşının faktiki səmərəliliyi 17%-dir (iş görmək üçün yalnız 100 C istilik sərf olunur). Yenə də iş görmək üçün istifadə edilə bilən təxminən 147 C – 100 C = 47 C istilik.
Sual 3:
Maşın hər dövrdə 1000 Coul kalori qəbul edir və 400 Coul iş istehsal edir. Bu maşın 500 ° C ilə 200 ° C arasında işləyir. Bu maşının faktiki səmərəliliyini və ideal səmərəliliyini hesablayın.
Həll
T H (yüksək temperatur) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
T L (aşağı temperatur) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
Mühərrikin səmərəliliyi:
Bu cihazın ideal səmərəliliyi:
Carnot Səmərəliliyi = 40%. Faktiki mühərrik səmərəliliyi = 60%. Bu maşın mövcud deyil. Bir maşının səmərəliliyi Carnot-un səmərəliliyindən çox ola bilməzdi.
Sual 4:
Carnot mühərrikinin səmərəliliyinin 100%-ə (1) çatması üçün tələb olunan boşalma temperaturu (Tl) nə qədər olmalıdır?
Həll
Mühərrikin səmərəliliyinin 100%-ə çatması üçün (bütün istilik iş görmək üçün istifadə edilə bilər), aşağı temperatur (T L ) 0 Kelvin olmalıdır.
Sıfır Kelvin temperaturuna çatmaq mümkün deyil. Bu ifadə termodinamikanın üçüncü qanunudur.
Hər 0 Kelvin üçün r mümkün olmadığı üçün, mükəmməl istilik mühərriki 100% səmərəliliyə malik olmaya bilər. İstilik mühərriki ilə 100% səmərəliliyə nail olmaq mümkün olmadığı üçün, bütün istiliyi (QH) iş görmək üçün istifadə etməyin mümkün olmadığı qənaətinə gəlmək olar . Bir az israf edilmiş istilik olmalıdır (QL ).
Bütün istiliyi işə çevirə bilən (dövrdə işləyən) istilik mühərriki ola bilməz (Termodinamikanın ikinci qanunu, Kelvin-Plank ifadəsi).
Bu qrafik yalnız bir mərhələdə baş verən izotermik prosesi (izotermik genişlənmə) göstərir. Bu prosesdə bütün istilik (Q) işə (W) çevrilə bilər. Görülən iş miqdarı = kölgəli sahə.
İstilik mühərriki fasiləsiz işləməlidir (proses dəfələrlə baş verməlidir, yalnız bir addımda baş verə bilməz). Məsələn, alternativ tipli buxar mühərriki. Alternativ buxar mühərrikindəki porşen fasiləsiz olaraq sağa və sola hərəkət etməlidir ki, təkərlər fırlana bilsin (bir şeyi hərəkət etdirmək üçün istifadə edilə bilər). Porşen sağa doğru hərəkət etdikdə təkərlər fırlana bilməz (proses yalnız bir mərhələdə baş verir). Əgər proses dəfələrlə baş verərsə, bütün istiliyin işə çevrilməsi mümkün deyil (Kelvin-Plank ifadəsi).
Soldakı qrafikdə izotermik genişlənmə (aşağı ox) və izotermik sıxılma (yuxarı ox) göstərilir. Proses davamlı olaraq izotermik şəkildə baş verir (Heç bir iş alınmır). Sağdakı qrafikdə izotermik genişlənmə prosesi (aşağı ox), izobarik presləmə prosesi (sola ox) və izohorik proses (yuxarı ox) göstərilir . Bu iki qrafikdən görünür ki, davamlı proses üçün həmişə istilik itkisi olur.
