Carnot Mühərrik Dövrü haqqında məqalə
Untuk mengetahui bagaimana menaikkan efisiensi mesin kalor, seorang ilmuwan Perancis bernama Sadi Carnot (1796‐1832) meneliti suatu mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Pada waktu itu hukum pertama termodinamika belum dirumuskan, demikian juga hukum kedua termodinamika. Hukum pertama belum dirumuskan karena para ilmuwan belum mengetahui bahwa kalor merupakan energi. Setelah Joule dan teman‐temannya melakukan percobaan pada tahun 1830-an, para ilmuwan baru mengetahui secara pasti bahwa kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Jadi hukum pertama termodinamika dirumuskan setelah tahun 1830. Sadi Carnot sudah meneliti mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Penelitian yang beliau lakukan sebenarnya untuk menaikkan efisiensi mesin uap yang pada waktu itu sudah digunakan. Kebanyakan mesin uap waktu itu kurang efisien.
Sadi Karno tərəfindən hazırlanmış ideal istilik mühərrikindəki dövrə Karno dövrü adlanır. Karno dövrünə nəzər salmazdan əvvəl dönməz prosesləri anlamaq faydalıdır. Təbii olaraq baş verən hər bir enerji çevrilməsi və ötürülməsi prosesi adətən dönməzdir. Məsələn, əllərimizi bir-birinə sürtsək, onlar isti hiss olunur. Bu halda, istilik gördüyümüz iş vasitəsilə yaranır. Proses dönməzdir. Yaranan istilik əllərimizi bir-birinə sürtməklə öz-özünə iş görə bilməz. İstilik mühərrikinin məqsədi bu prosesi qismən tərsinə çevirməkdir, burada istilik mümkün olan ən yüksək səmərəliliklə iş görmək üçün istifadə edilə bilər. İstilik mühərrikinin maksimum səmərəliliyə nail olması üçün bütün dönməz proseslərdən qaçınmalıyıq. Təbii olaraq baş verən istilik ötürülməsi adətən dönməzdir, buna görə də istilik ötürülməsinin qarşısını almaq üçün səylər göstərilir.
Mühərrik Q istiliyini aldıqdaH yüksək temperaturlu yerlərdə (TH), maşındakı işçi maddə də T temperaturunda olmalıdırHEynilə, mühərrik Q istiliyini aradan qaldırarsaL aşağı temperaturlu yerlərdə (TL), maşındakı işçi maddə də T temperaturunda olmalıdırLBeləliklə, istilik ötürülməsini əhatə edən hər bir proses izotermik (eyni temperatur) olmalıdır. Əksinə, mühərrikdəki işçi maddənin temperaturu T arasındadırsaH və TL, maşınla temperaturu T olan bir yer arasında istilik ötürülməsi olmamalıdırH (istilik təminatçısı) və temperaturu T olan bir yerL (atılma). İstiliyin çıxmaması üçün proses adiabatik şəkildə aparılmalıdır.
Carnot dövrü əslində iki geri dönən izotermik prosesdən və iki geri dönən adiabatik prosesdən ibarətdir.
Sağdakı şəkildə ideal qaz üçün Karno dövrü göstərilir. Əvvəlcə istilik izotermik genişlənmə (a-b) zamanı udulur. İzotermik genişlənmə zamanı silindrdəki qazın temperaturu sabit saxlanılır.
Daha sonra qaz adiabatik şəkildə genişlənir və beləliklə, onun temperaturu T H- dən T L -ə düşür (b-c). T H = yüksək temperatur (Yüksək temperatur), T L = aşağı temperatur (Aşağı temperatur). Adiabatik genişlənmə zamanı silindrə istilik daxil olmur və ya çıxmır. Bundan sonra qaz izotermik şəkildə sıxılır (c-d). İzotermik sıxılma zamanı qazın temperaturu sabit saxlanılır. Daha sonra qaz adiabatik şəkildə sıxılır (d-a). Adiabatik şəkildə sıxıldığı üçün qazın temperaturu artır. Qazın temperaturu artır və beləliklə, qaz təzyiqi də artır. Karno dövrəsindəki bütün proseslər geri dönür.
İzotermik genişlənmə və sıxılma zamanı qazın temperaturu sabit saxlanılır. Məqsəd temperatur fərqlərinin qarşısını almaqdır. Temperatur fərqləri istilik ötürülməsinə səbəb ola bilər (dönməz bir proses). İzotermik prosesin baş verməsi (qazın temperaturunu sabit saxlamaq) üçün qaz yavaş-yavaş genişlənməlidir və ya sıxılmalıdır. Əslində, qazın genişlənməsi və ya sıxılması daha sürətlə baş verir. Bu, turbulentlik (maye dinamikası mövzusunu xatırlayın), sürtünmə, özlülük və s. səbəbindən baş verir. Nəticədə, mükəmməl izotermik proses heç vaxt mövcud olmayacaq. Bunun əvəzinə, adiabatik genişlənmə və sıxılma sürətlə baş verir.
Məqsəd istiliyin silindrə və ya silindrdən axmasının qarşısını almaqdır. Sürtünmə, özlülük və digər amillər mükəmməl adiabatik genişlənmə və sıxılmanın qarşısını alır. Qeyd etmək vacibdir ki, Carnot mühərriki sırf nəzəri xarakter daşıyır; gündəlik həyatımızda mövcud deyil. Nəzəri olsa da, Carnot mühərriki termodinamikanın inkişafına əhəmiyyətli dərəcədə töhfə verir. Ən azından, proses zamanı baş verə biləcək hər hansı dönməz prosesləri müəyyən edə və onları minimuma endirməyə çalışa bilərik və beləliklə, dizayn etdiyimiz istilik mühərrikinin səmərəliliyini maksimum dərəcədə artıra bilərik.
Carnot mühərrikinin çox vacib bir nəticəsi, mükəmməl bir istilik mühərriki üçün alınan istilik (QH ) TH temperaturu ilə , rədd edilən istilik (QL) isə TL temperaturu ilə mütənasib olmasıdır . Beləliklə, mükəmməl bir istilik mühərrikinin səmərəliliyi aşağıdakı kimidir:
Nümunə sual 1:
Buxar mühərriki 500 ° C ilə 300 ° C arasında işləyir. Buxar mühərrikinin ideal səmərəliliyini (Karno səmərəliliyini) təyin edin.
Müzakirə
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 ideal səmərəliliyi və ya səmərəliliyi 26%-dir. Gündəlik həyatda istifadə etdiyimiz mühərrik 500 ° C ilə 300 ° C arasında işləyirsə, mühərrikin əldə edə biləcəyi maksimum səmərəlilik adətən ideal səmərəliliyin təxminən 0,7 dəfəsini (18,2%) təşkil edir.
Nümunə sual 2:
İstilik mühərriki 300 o C temperaturda 600 Coul istilik (Q) alır , 100 o C temperaturda 100 Coul iş (W) görür və 500 Coul enerjini buraxır. Bu mühərrikin faktiki səmərəliliyini və ideal səmərəliliyini (Carnot səmərəliliyini) təyin edin...
Müzakirə
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:
300 ° C ilə 100 ° C arasında işləyən mükəmməl istilik mühərrikinin ideal səmərəliliyi və ya səmərəliliyi 35%-dir. Mühərrikin əldə edə biləcəyi maksimum səmərəlilik adətən ideal səmərəliliyin təxminən 0,7 mislidir = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = iş görmək üçün istifadə edilə bilən 147 J istilik).
Bu mühərrikin faktiki səmərəliliyi 17%-dir (iş görmək üçün yalnız 100 C istilik sərf olunur). İş görmək üçün hələ də təxminən 147 C – 100 C = 47 C istilik istifadə edilə bilər. Bu mühərrikin səmərəliliyi itkiləri minimuma endirmək üçün artırıla bilsəydi, yaxşı olardı.
Nümunə sual 3:
Bir maşın hər dövrdə 1000 Coul istilik alır və 400 Coul iş istehsal edir. Bu maşın 500 oC ilə 200 oC arasında işləyir . Bu maşının faktiki səmərəliliyi və ideal səmərəliliyi nə qədərdir?
Müzakirə
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 optimal səmərəliliyi:
İdeal səmərəlilik, həmçinin Karno səmərəliliyi kimi də tanınır, 40%-dir. Faktiki mühərrik səmərəliliyi 60%-dir. Belə bir mühərrik mövcud deyil. Bir mühərrikin səmərəliliyinin Karno səmərəliliyini aşması mümkün deyil.
Nümunə sual 4:
Carnot mühərrikinin səmərəliliyinin 100%-ə (1) çatması üçün işlənmiş qazın temperaturu (TL ) nə qədər olmalıdır?
Müzakirə
Mükəmməl istilik mühərrikinin səmərəliliyinin 100%-ə çatması üçün (bütün giriş istiliyi iş görmək üçün istifadə edilə bilər), işlənmiş qazların temperaturu (TL ) = 0 Kelvin olmalıdır.
0 Kelvin temperaturuna çatmaq mümkün deyil. Bu ifadə termodinamikanın üçüncü qanunudur.
0 Kelvin əldə etmək mümkün olmadığı üçün mükəmməl bir istilik mühərriki 100% səmərəliliyə malik ola bilməz. Hətta mükəmməl bir istilik mühərriki belə 100% səmərəliliyə malik ola bilməz, gündəlik həyatda istifadə etdiyimiz istilik mühərrikləri bir yana qalsın.
İstilik mühərriki ilə 100% səmərəlilik əldə edilə bilmədiyindən, bütün giriş istiliyinin (QH) iş görmək üçün istifadə edilməsinin mümkün olmadığı qənaətinə gələ bilərik . Müəyyən bir istilik itkisi olmalıdır (QL ).
İstilik mühərrikinin (dövrdə işləyən) bütün istiliyi işə çevirməsi mümkün deyil (Termodinamikanın ikinci qanunu - Kelvin-Plank ifadəsi).
Yuxarıdakı qalın şriftlə yazılmış kursiv mətn termodinamikanın ikinci qanununun xüsusi ifadəsidir. Yalnız istilik mühərriklərinə aid olduğu üçün xüsusi ifadə adlanır. Kelvin və Plank tərəfindən formullaşdırıldığı üçün Kelvin-Plank ifadəsi də adlanır. Yuxarıdakı ifadədə "dövr" sözünün mövcudluğuna diqqət yetirin. Dövr dəfələrlə baş verən bir prosesdir. Beləliklə, istilik mühərriki davamlı olaraq işləyir. "Dövr" sözü əlavə edilmişdir, çünki əslində proses yalnız bir dəfə baş verərsə, bütün istilik işə çevrilə bilər.
Termodinamikanın birinci qanununda izotermik, izobarik, izoxorik və adiabatik proseslər də daxil olmaqla bir neçə termodinamik proses izah edilmişdir. İzotermik prosesdə bütün istilik işə çevrilə bilər (Q = W). Bu, proses yalnız bir mərhələdə baş verərsə baş verə bilər. Aşağıdakı şəklə baxın:
Bu qrafik tək bir addımda baş verən izotermik prosesi (izotermik genişlənmə) göstərir. Bu prosesdə bütün istilik (Q) işə (W) çevrilir. Görülən iş miqdarı = kölgəli sahə.
İstilik mühərrikinin faydalı olması üçün fasiləsiz işləməsi lazımdır (proses yalnız bir mərhələdə deyil, dəfələrlə baş verməlidir). Məsələn, qarşılıqlı buxar mühərriki. Qarşılıqlı buxar mühərrikindəki piston, təkərin fırlana bilməsi üçün (bir şeyi hərəkət etdirmək üçün istifadə edilə bilər) fasiləsiz olaraq sağa və sola hərəkət etməlidir. Piston yalnız sağa hərəkət edərsə, təkər fırlana bilməz və bundan sonra dayanır (proses yalnız bir mərhələdə baş verir). Proses dəfələrlə baş verərsə (piston fasiləsiz olaraq sağa və sola hərəkət edərsə), bütün istiliyin işə çevrilməsi mümkün deyil (Kelvin-Plank ifadəsi). Məsələn, yuxarıdakı qrafikdə göstərilən izotermik prosesi nəzərdən keçirək.
Soldakı qrafikdə izotermik genişlənmə (aşağıya doğru ox) və izotermik sıxılma (yuxarıya doğru ox) göstərilir. Proses davamlı olaraq izotermik şəkildə baş verir (heç bir iş görülmür). Sağdakı qrafikdə izotermik genişlənmə (aşağıya doğru ox), izobarik sıxılma (sol ox) və izoxorik proses (yuxarıya doğru ox) göstərilir. Bu iki qrafikdən aydın olur ki, davamlı olaraq baş verən proseslər (dövr) üçün həmişə istilik itkisi olur. Bu, əvvəlki Kelvin-Plank ifadəsinə uyğundur.
