Aron mahibal-an kung unsaon pagdugang sa kahusayan sa heat engine, usa ka Pranses nga siyentista nga ginganlag Sadi Carnot (1796-1832) ang nagsusi sa usa ka ideal nga theoretical caloric machine niadtong 1824. Niadtong panahona, ang unang balaod sa thermodynamics wala pa maporma, ni ang ikaduhang balaod sa thermodynamics. Ang unang balaod wala pa maporma tungod kay ang mga siyentista wala pa mahibalo nga ang kainit usa ka enerhiya. Human si Joule ug ang iyang mga kauban nag-eksperimento niadtong 1830s, nadiskobrehan sa mga siyentista nga ang kainit usa ka enerhiya nga naglihok tungod sa kalainan sa temperatura. Busa, ang unang balaod sa thermodynamics naporma human sa 1830. Si Sadi Carnot nagsiksik sa theoretical ideal caloric engine niadtong 1824. Ang iyang panukiduki sa tinuud mao ang pagdugang sa kahusayan sa steam engine. Kadaghanan sa mga steam engine niadtong panahona dili kaayo episyente.
Ang siklo sa sulundon nga heat engine sa hunahuna ni Sadi Carnot gitawag nga Carnot cycle. Sa wala pa nato makat-oni ang Carnot cycle, nasabtan na nato pag-usab ang dili mabalik nga proseso. Ang matag proseso sa pagbag-o sa enerhiya ug pagbalhin sa enerhiya mahitabo nga dili mabalik. Pananglitan, atong gikuskos ang mga kamot aron mainitan ang mga kamot. Ang kainit namugna pinaagi sa trabaho nga atong gibuhat. Ang proseso dili mabalik. Ang kainit dili makakuskos sa mga kamot.
Ang katuyoan sa usa ka heat engine mao ang pagbalit-ad sa pipila niini nga proseso, diin ang kainit magamit aron mahimo ang trabaho nga adunay labing taas nga posible nga kahusayan. Aron ang heat engine adunay labing taas nga kahusayan, kinahanglan natong likayan ang tanan nga dili mabalik nga mga proseso. Ang pagbalhin sa kainit natural nga dili mabalik aron ang paglihok sa kainit dili mahitabo.
Kon ang makina mokuha sa kainit (Q₂H₃ ) sa taas nga temperatura ( T₂H₃ ), ang working fluid sa makina kinahanglan usab nga naa sa temperatura nga T₂H₃ . Sa susama, kon ang makina mopagawas sa kainit sa Q₂L₃ sa ubos nga temperatura (T₂H₃ ) , ang working fluid sa makina kinahanglan usab nga naa sa temperatura nga T₂H₃ . Busa, ang bisan unsang proseso nga naglambigit sa pagbalhin sa kainit kinahanglan nga isothermal (parehas nga temperatura). Sa laing bahin, kon ang temperatura sa workpiece sa makina anaa sa taliwala sa T₂H₃ ug T₂H₃ , walay pagbalhin sa kainit nga mahitabo tali sa makina ug sa lugar nga adunay temperatura nga T₂H₃ (tigsuplay sa kainit) ug sa lugar nga adunay temperatura nga T₂H₃ (pag-discharge). Kay ang kainit dili molihok, nan ang proseso kinahanglan nga buhaton nga adiabatically.
Ang siklo sa Carnot gilangkoban sa duha ka mabalik nga proseso sa isothermal ug duha ka mabalik nga proseso sa adiabatic.
Ang hulagway sa kilid mao ang piston Carnot cycle para sa usa ka ideal gas. Una, ang kainit masuhop atol sa isothermal expansion (ab). Atol sa isothermal expansion, ang temperatura sa gas sa silindro gipadayon nga makanunayon.
Sunod, ang gas molapad nga adiabatic aron ang temperatura moubos gikan sa T H ngadto sa T L (bc). T H = taas nga temperatura, T L = ubos nga temperatura. Atol sa adiabatic expansion, walay kainit nga mosulod o mogawas sa silindro. Pagkahuman, ang gas gi-isothermally press (cd). Atol sa isothermal pressing, ang temperatura sa gas gipadayon nga makanunayon. Ang gas gi-adiabatic press (da). Tungod kay kini gi-adiabatic suppress, ang temperatura sa gas motaas. Ang temperatura sa gas motaas aron ang presyur sa gas motaas usab. Ang tibuok proseso sa Carnot cycle mabaliktad.
Atol sa isothermal expansion ug isothermal press, ang temperatura sa gas gipadayon nga makanunayon. Ang tumong mao ang paglikay sa bisan unsang kalainan sa temperatura. Ang paglungtad sa kalainan sa temperatura mahimong hinungdan sa pagbalhin sa kainit (dili mabalik nga proseso). Aron mahitabo ang isothermal nga proseso (ang temperatura sa gas kanunay nga makanunayon) ang gas kinahanglan nga hinayhinay nga palapdan o ipadayon. Sa tinuud, ang pagpalapad, o pagpugong sa gas, mas paspas nga mahitabo. Kini tungod sa turbulence (hinumdomi ang dinamikong materyal sa pluwido), friction, viscosity, ug uban pa. Ingon usa ka sangputanan, ang hingpit nga proseso sa isothermal dili gyud maglungtad. Sa kasukwahi, ang adiabatic nga pagpalapad ug pagpugong paspas.
Ang tumong mao ang pagpugong sa kainit nga moagos ngadto sa silindro o mogawas sa silindro. Ang presensya sa friction, viscosity, ug uban pa dili hinungdan sa kompleto nga adiabatic expansion ug emphasis. Hinumdumi nga ang Carnot engine teoretikal lamang. Ang Carnot machine wala maglungtad sa atong kinabuhi. Bisan tuod teoretikal lamang, ang paglungtad sa Carnot engine usa ka mapuslanon nga kalamboan sa thermodynamics. Mahimo kini labing menos mahibal-an ang bisan unsang dili mabalik nga mga proseso nga mahimong mahitabo sa panahon sa proseso ug sulayan nga maminusan kini aron ang kahusayan sa makina mahimong labing taas.
Ang mahinungdanong resulta sa Carnot engine mao ang hingpit nga kainit sa makina, ang nadawat nga kainit (Q₂H₃ ) proporsyonal sa taas nga temperatura (T₂H₃ ) , ug ang natunaw nga tambutso (Q₂L₃ ) proporsyonal sa ubos nga temperatura (T₂H₃ ) . Busa, ang kahusayan sa hingpit nga heat engine mao ang:
Mao kini ang ekwasyon sa hingpit nga kahusayan sa heat engine.
Pangutana 1:
Ang usa ka makinang de-alisngaw moandar tali sa 500 o C ug 300 o C. Tinoa ang sulundon nga efficiency (Carnot efficiency) sa makinang de-alisngaw.
solusyon
Ang temperatura kinahanglan nga i-convert ngadto sa Kelvin scale.
T H (taas nga temperatura) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (ubos nga temperatura) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Ang efficiency sa usa ka hingpit nga heat engine nga mo-operate tali sa 500 °C ug 300 °C kay 26%. Kung ang mga makina nga atong gigamit sa atong adlaw-adlaw nga kinabuhi mo-operate tali sa 500 °C ug 300 °C, ang pinakataas nga efficiency nga makab-ot sa mga makina kay mga 0.7 ka pilo sa ideal efficiency (18.2%).
Pangutana 2:
Ang usa ka heat engine nakadawat og 600 J sa temperatura nga 300 °C, naghimo og trabaho (W) nga 100 Joules ug nagpagawas og 500 J sa 100 °C. Tinoa ang aktwal nga efficiency ug ideal nga efficiency (Carnot efficiency) niini nga makina.
Ang temperatura kinahanglan nga i-convert ngadto sa Kelvin scale
T H (taas nga temperatura) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
T L (ubos nga temperatura) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Epektibo sa makina:
Ang sulundon nga kahusayan niini nga makina:
Ang kahusayan sa usa ka hingpit nga heat engine nga nagtrabaho tali sa 300 °C ug 100 °C kay 35%. Ang pinakataas nga kahusayan nga makab-ot sa makina kasagaran mga 0.7 ka pilo sa sulundon nga kahusayan = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J nga kainit nga gigamit sa pagbuhat og trabaho).
Ang aktuwal nga kahusayan niini nga makina kay 17% (100 J lang nga kainit ang gigamit sa pagtrabaho). Mga 147 J gihapon – 100 J = 47 J nga kainit nga magamit sa pagtrabaho.
Pangutana 3:
Ang usa ka makina makadawat og 1000 Joule calories ug makaprodyus og 400 Joules nga trabaho sa matag siklo. Kini nga makina mogana tali sa 500 o C ug 200 o C. Kwentaha ang aktuwal nga efficiency ug ideal nga efficiency niini nga makina.
solusyon
T H (taas nga temperatura) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
T L (ubos nga temperatura) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Epektibo sa makina:
Ang sulundon nga kahusayan niini nga makina:
Kaepektibo sa Carnot = 40%. Ang aktuwal nga kahusayan sa makina = 60%. Kini nga makina wala maglungtad. Ang kahusayan sa usa ka makina dili unta molabaw sa kahusayan ni Carnot.
Pangutana 4:
Para makaabot og 100% (1) ang efficiency sa makina sa Carnot, unsa ang gikinahanglan nga discharge temperature (T L )?
solusyon
Para sa hingpit nga kahusayan sa makina nga makaabot sa 100% (ang tanang kainit magamit sa pagtrabaho), nan ang ubos nga temperatura (T L ) kinahanglan nga 0 Kelvin.
Imposible nga makaabot sa 0 nga temperatura ni Kelvin. Kini nga pahayag mao ang ikatulong balaod sa thermodynamics.
Tungod kay dili posible ang matag r nga 0 Kelvin, nan ang hingpit nga heat engine mahimong walay 100% nga efficiency. Tungod kay ang 100% nga efficiency dili makab-ot sa heat engine, mahimong ikahinapos nga dili posible nga gamiton ang tanang kainit (Q₂H₂ ) aron sa pagbuhat og trabaho. Kinahanglan adunay nasayang nga kainit (Q₂L₂ ).
Walay heat engine (nga moandar sa usa ka siklo) nga makahimo sa tanang kainit nga mahimong trabaho (Ikaduhang balaod sa thermodynamics, pahayag ni Kelvin-Planck).
Kini nga graph nagpakita sa proseso sa isothermal (isothermal expansion) nga nahitabo sa usa lang ka yugto. Niini nga proseso, ang tanang kainit (Q) mahimong mabag-o ngadto sa trabaho (W). Ang gidaghanon sa trabaho nga nahimo = gilandongan nga lugar.
Ang heat engine kinahanglan nga padayon nga moandar (ang proseso kinahanglan nga balik-balik nga mahitabo, dili mahimo sa usa lang ka lakang). Pananglitan, ang usa ka alternating type steam engine. Ang piston sa usa ka alternating steam engine kinahanglan nga molihok sa tuo ug wala nga padayon, aron ang mga ligid makatuyok (magamit sa paglihok sa usa ka butang). Ang mga ligid dili makatuyok kung ang piston molihok aron mohunong sa tuo (ang proseso mahitabo sa usa lang ka yugto). Kung ang proseso mahitabo balik-balik, imposible nga ang tanan nga kainit mahimong trabaho (pahayag ni Kelvin-Planck).
Ang graph sa wala nagpakita sa isothermal expansion (paubos nga pana) ug isothermal compression (pataas nga pana). Ang proseso mahitabo nga padayon nga isothermally (Walay trabaho nga nahimo). Ang graph sa tuo usa ka isothermal expansion process (paubos nga pana), isobaric pressing process (pana sa wala) ug isochoric process (pataas nga pana). Gikan niining duha ka graph, makita nga alang sa usa ka padayon nga proseso, kanunay adunay nasayang nga kainit.
