Artikulo bahin sa Siklo sa Makina sa Carnot
Aron mahibal-an kung unsaon pagdugang sa kahusayan sa usa ka heat engine, usa ka Pranses nga siyentista nga ginganlag Sadi Carnot (1796-1832) nagtuon sa usa ka sulundon nga heat engine sa teyorya 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 higala nagpahigayon og mga eksperimento niadtong 1830s, ang mga siyentista nahibalo na lang nga ang kainit usa ka enerhiya nga gibalhin tungod sa kalainan sa temperatura. Busa ang unang balaod sa thermodynamics naporma human sa 1830. Si Sadi Carnot nagtuon sa usa ka sulundon nga heat engine sa teyorya niadtong 1824. Ang panukiduki nga iyang gihimo mao ang pagdugang sa kahusayan sa mga steam engine nga gigamit na niadtong panahona. Kadaghanan sa mga steam engine niadtong panahona dili kaayo episyente.
Ang siklo sa usa ka sulundon nga heat engine, nga gihimo ni Sadi Carnot, gitawag nga Carnot cycle. Sa dili pa nato ribyuhon ang Carnot cycle, makatabang ang pagsabot sa dili mabalik nga mga proseso. Ang matag natural nga proseso sa pagbag-o ug pagbalhin sa enerhiya kasagaran dili mabalik. Pananglitan, kon atong ihaplas ang atong mga kamot, kini mobati nga init. Niini nga kaso, ang kainit gihimo pinaagi sa trabaho nga atong gibuhat. Ang proseso dili mabalik. Ang kainit nga gihimo dili makahimo sa trabaho sa iyang kaugalingon pinaagi sa paghaplas sa atong mga kamot. Ang tumong sa usa ka heat engine mao ang pagbaligtad niini nga proseso, diin ang kainit magamit sa paghimo sa trabaho nga adunay labing dako nga posible nga kahusayan. Aron makab-ot sa usa ka heat engine ang labing taas nga kahusayan, kinahanglan natong likayan ang tanan nga dili mabalik nga mga proseso. Ang natural nga pagbalhin sa kainit kasagaran dili mabalik, busa gihimo ang mga paningkamot aron mapugngan ang pagbalhin sa kainit.
Kung ang makina moinit QH sa mga lugar nga taas og temperatura (TH), ang nagtrabaho nga substansiya sa makina kinahanglan usab nga naa sa temperatura nga TH. Ingon man usab, kon ang makina mokuha sa kainit QL sa mga lugar nga adunay ubos nga temperatura (TL), ang nagtrabaho nga substansiya sa makina kinahanglan usab nga naa sa temperatura nga TLBusa ang matag proseso nga naglambigit sa pagbalhin sa kainit kinahanglan nga isothermal (parehas nga temperatura). Sa laing bahin, kon ang temperatura sa nagtrabaho nga substansiya sa makina anaa sa taliwala sa TH ug TL, kinahanglan walay pagbalhin sa kainit tali sa makina ug sa lugar nga adunay temperatura nga TH (tighatag og kainit) ug usa ka lugar nga adunay temperatura nga TL (paglabay). Aron dili mogawas ang kainit, ang proseso kinahanglan nga himuon nga adiabatic.
Ang siklo sa Carnot sa tinuod gilangkoban sa duha ka mabalik nga proseso sa isothermal ug duha ka mabalik nga proseso sa adiabatic.
Ang hulagway sa tuo nagpakita sa Carnot cycle para sa usa ka ideal nga gas. Sa sinugdanan, ang kainit masuhop atol sa isothermal expansion (a-b). Atol sa isothermal expansion, ang temperatura sa gas sa silindro gipadayon nga makanunayon.
Sunod, ang gas molapad nga adiabatic aron ang temperatura niini moubos gikan sa TH mahimong TL (b-c). TH = taas nga temperatura (Taas nga temperatura), TL = ubos nga temperatura. Atol sa adiabatic expansion, walay kainit nga mosulod o mogawas sa silindro. Pagkahuman niana, ang gas gi-compress nga isothermally (c-d). Atol sa isothermal compression, ang temperatura sa gas gipadayon nga makanunayon. Sunod, ang gas gi-compress nga adiabatically (d-a). Tungod kay kini gi-compress nga adiabatically, ang temperatura sa gas motaas. Ang temperatura sa gas motaas mao nga ang presyur sa gas motaas usab. Ang tanan nga mga proseso sa siklo sa Carnot mabaliktad.
Atol sa isothermal expansion ug compression, ang temperatura sa gas gipadayon nga makanunayon. Ang tumong mao ang paglikay sa mga kalainan sa temperatura. Ang mga kalainan sa temperatura mahimong hinungdan sa pagbalhin sa kainit (usa ka dili mabalik nga proseso). Aron mahitabo ang usa ka isothermal nga proseso (pagpadayon sa temperatura sa gas nga makanunayon), ang gas kinahanglan nga hinayhinay nga palapdan o i-compress. Sa tinuud, ang pagpalapad o compression sa gas mahitabo nga mas paspas. Kini tungod sa turbulence (hinumdomi ang hilisgutan sa fluid dynamics), friction, viscosity, ug uban pa. Ingon usa ka sangputanan, ang usa ka hingpit nga proseso sa isothermal dili gyud maglungtad. Hinuon, ang adiabatic expansion ug compression mahitabo nga paspas.
Ang tumong mao ang pagpugong sa kainit nga moagos pasulod o mogawas sa silindro. Ang friction, viscosity, ug uban pang mga hinungdan makapugong sa hingpit nga adiabatic expansion ug compression. Importante nga matikdan nga ang Carnot engine puro teoretikal; wala kini sa atong adlaw-adlaw nga kinabuhi. Bisan tuod teoretikal, ang Carnot engine dako og ikatabang sa pag-uswag sa thermodynamics. Labing menos, atong mailhan ang bisan unsang dili mabalik nga mga proseso nga mahimong mahitabo atol sa proseso ug sulayan nga maminusan kini, sa ingon mapadako ang kahusayan sa atong gidisenyo nga heat engine.
Usa ka importante nga resulta sa Carnot engine mao nga para sa usa ka hingpit nga heat engine, ang Kainit nga nadawat (QH) kay proporsyonal sa temperatura nga TH ug ang kainit nga gipagawas (QL) kay proporsyonal sa temperatura nga TLBusa, ang kahusayan sa usa ka hingpit nga heat engine mao ang:
Pananglitan nga pangutana 1:
Ang usa ka makinang de-alisngaw moandar tali sa temperatura nga 500 oC ug 300 oC. Tinoa ang sulundon nga kahusayan (Carnot efficiency) sa steam engine.
Panaghisgot
Ang temperatura kinahanglan nga i-convert ngadto sa Kelvin scale.
TH (taas nga temperatura) = 500 oC = 500 + 273 = 773 K
TL (ubos nga temperatura) = 300 oC = 300 + 273 = 573 K
Ideal nga kahusayan o efficiency sa usa ka hingpit nga heat engine nga naglihok taliwala sa temperatura nga 500 oC ug 300 oAng C kay 26%. Kon ang mga makina nga atong gigamit sa adlaw-adlaw nga kinabuhi moandar tali sa temperatura nga 500 oC ug 300 oC, ang pinakataas nga kahusayan nga makab-ot sa makina kasagaran mga 0,7 ka pilo sa sulundon nga kahusayan (18,2%).
Pananglitan nga pangutana 2:
Ang usa ka heat engine nakadawat og 600 Joules nga kainit (Q) sa temperatura nga 300 oAng C, mo-andar (W) sa 100 Joules ug mopagawas ug 500 J sa temperatura nga 100 oC. Tinoa ang aktuwal nga kahusayan ug sulundon nga kahusayan (Carnot efficiency) niini nga makina…
Panaghisgot
Ang temperatura kinahanglan nga i-convert ngadto sa Kelvin scale.
TH (taas nga temperatura) = 300 oC ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
TL (ubos nga temperatura) = 100 oC ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Epektibo sa makina:
Ideal nga kahusayan o efficiency sa usa ka hingpit nga heat engine nga naglihok taliwala sa temperatura nga 300 oC ug 100 oAng 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 magamit sa pagbuhat og trabaho).
Ang aktuwal nga kahusayan niini nga makina kay 17% (100 J lang nga kainit ang gigamit sa pagbuhat og trabaho). Aduna pa'y mga 147 J – 100 J = 47 J nga kainit nga magamit sa pagbuhat og trabaho. Maayo unta kon ang kahusayan niini nga makina madugangan aron maminusan ang mga pagkawala nga atong maangkon.
Pananglitan nga pangutana 3:
Ang makina makadawat og 1000 Joules nga kainit ug makamugna og 400 Joules nga trabaho sa matag siklo. Ang makina mo-operate tali sa 500 oC ug 200 oC. Unsa ang tinuod nga kahusayan ug sulundon nga kahusayan niini nga makina?
Panaghisgot
TH (taas nga temperatura) = 500 oC ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
TL (ubos nga temperatura) = 200 oC ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Epektibo sa makina:
Ang sulundon nga kahusayan niini nga makina mao ang:
Ang ideal nga efficiency, nailhan usab nga Carnot efficiency, kay 40%. Ang aktuwal nga efficiency sa makina kay 60%. Wala gyuy ingon ana nga makina. Imposible nga molapas ang efficiency sa makina sa efficiency sa Carnot.
Pananglitan nga pangutana 4:
Aron ang kahusayan sa makina sa Carnot makaabot sa 100% (1), unsa ang temperatura sa tambutso (TL) gikinahanglan?
Panaghisgot
Aron ang kahusayan sa usa ka hingpit nga heat engine makaabot sa 100% (ang tanan nga input heat magamit sa pagbuhat sa trabaho), ang temperatura sa tambutso (TL) kinahanglan = 0 Kelvin.
Imposible ang pag-abot sa temperatura nga 0 Kelvin. Kini nga pahayag mao ang ikatulong balaod sa termodinamika.
Tungod kay imposibleng makab-ot ang 0 Kelvin, ang usa ka hingpit nga heat engine dili mahimong adunay 100% nga kahusayan. Bisan ang usa ka hingpit nga heat engine dili usab makabaton og 100% nga kahusayan, labi na ang mga heat engine nga atong gigamit sa adlaw-adlaw nga kinabuhi.
Tungod kay ang 100% nga kahusayan dili makab-ot sa usa ka heat engine, makahinapos kita nga imposible nga ang tanan nga input heat (Q) mabag-o ngadto saH) gigamit sa pagbuhat og trabaho. Kinahanglan adunay kainit nga mawala (QL).
Imposible para sa usa ka heat engine (nga nagtrabaho sa usa ka siklo) nga mabag-o ang tanan nga kainit ngadto sa trabaho (Ikaduhang balaod sa thermodynamics - pahayag ni Kelvin-Planck).
Ang gi-bold nga italicized nga teksto sa ibabaw usa ka espesyal nga pahayag sa ikaduhang balaod sa thermodynamics. Gitawag kini nga espesyal nga pahayag tungod kay kini magamit lamang sa mga heat engine. Tungod kay gipormula kini nila ni Kelvin ug Planck, gitawag usab kini nga Kelvin-Planck statement. Matikdi ang presensya sa pulong nga "cycle" sa pahayag sa ibabaw. Ang cycle usa ka proseso nga balik-balik nga mahitabo. Busa, ang heat engine padayon nga nagtrabaho. Ang pulong nga "cycle" gidugang tungod kay, sa tinuud, ang tanan nga kainit mahimong mabag-o ngadto sa trabaho kung ang proseso mahitabo lamang kausa.
Sa unang balaod sa thermodynamics, daghang proseso sa thermodynamic ang gipasabot, lakip ang isothermal, isobaric, isochoric, ug adiabatic nga mga proseso. Sa usa ka isothermal nga proseso, ang tanang kainit mahimong mabag-o ngadto sa trabaho (Q = W). Mahimo kini mahitabo kung ang proseso mahitabo sa usa lang ka yugto. Tan-awa ang hulagway sa ubos:
Kini nga graph nagpakita sa usa ka isothermal nga proseso (isothermal expansion) nga mahitabo sa usa ka lakang. Niini nga proseso, ang tanang kainit (Q) gibag-o ngadto sa trabaho (W). Ang gidaghanon sa trabaho nga nahimo = ang gilandongan nga lugar.
Aron mahimong mapuslanon, ang usa ka heat engine kinahanglan nga padayon nga moandar (ang proseso kinahanglan nga mahitabo balik-balik, dili sa usa ka lakang). Pananglitan, ang usa ka reciprocating steam engine. Ang piston sa usa ka reciprocating steam engine kinahanglan nga padayon nga molihok sa tuo ug wala aron ang ligid makatuyok (nga magamit sa paglihok sa usa ka butang). Ang ligid dili makatuyok kung ang piston magtuyok lang. molihok lamang sa tuo, pagkahuman mohunong kini (ang proseso mahitabo lamang sa usa ka yugto). Kung ang proseso mahitabo balik-balik (ang piston molihok sa tuo ug wala nga padayon), imposible nga ang tanan nga kainit mabag-o ngadto sa trabaho (pahayag ni Kelvin-Planck). Pananglitan, atong tagdon ang proseso sa isothermal nga gipakita sa graph sa ibabaw.
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 nagpakita sa isothermal expansion (paubos nga pana), isobaric compression (wala nga pana), ug isochoric nga proseso (pataas nga pana). Gikan niining duha ka graph, klaro nga alang sa mga proseso nga mahitabo nga padayon (cycle), kanunay adunay pagkawala sa kainit. Kini nahiuyon sa miaging pahayag ni Kelvin-Planck.
