Chun a fháil amach conas éifeachtúlacht an innill teasa a mhéadú , rinne eolaí Francach darbh ainm Sadi Carnot (1796-1832) scrúdú ar mheaisín calrach teoiriciúil idéalach sa bhliain 1824. Ag an am sin, ní raibh an chéad dlí den teirmidinimic ceaptha, ná an dara dlí den teirmidinimic. Níl an chéad dlí ceaptha fós mar níl a fhios ag eolaithe fós gur fuinneamh é teas. Tar éis do Joule agus a chomhghleacaithe turgnaimh a dhéanamh sna 1830idí, fuair eolaithe amach gur fuinneamh é teas a ghluaiseann mar gheall ar dhifríochtaí teochta. Mar sin, ceapadh an chéad dlí den teirmidinimic tar éis 1830. Bhí Sadi Carnot ag déanamh taighde ar an inneall calrach teoiriciúil idéalach sa bhliain 1824. Ba é an aidhm a bhí aige ná éifeachtúlacht an innill gaile a mhéadú i ndáiríre. Bhí formhór na n-inneall gaile ag an am sin níos lú éifeachtúlachta.
Tugtar timthriall Carnot ar an timthriall ar an inneall teasa idéalach de chuid smaointeoireacht Sadi Carnot. Sula ndearnamar foghlaim faoi thimthriall Carnot, thuigeamar an próiseas dochúlaithe arís. Tarlaíonn gach próiseas athraithe fuinnimh agus aistrithe fuinnimh go dochúlaithe. Mar shampla, cuimilimid lámha ionas go mbeidh na lámha te. Gintear an teas tríd an obair a dhéanaimid. Tá an próiseas dochúlaithe. Ní féidir leis an teas lámha a chuimilt.
Is é cuspóir inneall teasa cuid den phróiseas seo a aisiompú, áit ar féidir teas a úsáid chun obair a dhéanamh leis an éifeachtúlacht is airde is féidir. Chun go mbeidh an t-éifeachtúlacht uasta ag an inneall teasa , ní mór dúinn gach próiseas neamh-inchúlghairthe a sheachaint. Tá aistriú teasa neamh-inchúlghairthe go nádúrtha agus mar sin níor cheart go dtarlódh gluaiseacht teasa.
Nuair a ghlacann an t-inneall an teas (QH ) ag teocht ard (TH ) , ní mór don sreabhán oibre sa mheaisín a bheith ag teocht TH freisin . Ar an gcaoi chéanna, má sceitheann an t-inneall an teas QL ag teocht íseal (TL ) , ní mór don sreabhán oibre sa mheaisín a bheith ag teocht TL freisin . Dá bhrí sin, ní mór aon phróiseas lena mbaineann aistriú teasa a bheith iseateirmeach (an teocht chéanna). Os a choinne sin, má tá teocht an phíosa oibre sa mheaisín idir TH agus TL , ní tharlaíonn aon aistriú teasa idir an meaisín leis an áit a bhfuil an teocht TH aige ( soláthraí teasa) agus an limistéar a bhfuil an teocht TL aige ( urscaoileadh). Ós rud é nach mbogann an teas, ní mór an próiseas a dhéanamh go haidiabatach.
Tá dhá phróiseas isiteirmeacha inchúlaithe agus dhá phróiseas adiabatach inchúlaithe i dtimthriall Carnot.
Is í an íomhá ar an taobh ná Timthriall Carnot an loine le haghaidh gás idéalach. Ar dtús, ionsúitear an teas le linn an leathnú isothermal (ab). Le linn leathnú isothermal, coimeádtar teocht an gháis sa sorcóir tairiseach.
Ansin, leathnaíonn an gás go haidiabatach ionas go dtiteann an teocht ó T H go T L (bc). T H = teocht ard, T L = teocht íseal. Le linn leathnú aidiabatach, ní théann aon teas isteach ná amach as an sorcóir. Ina dhiaidh sin, brúitear an gás go hisiteirmeach (cd). Le linn brú isiteirmeach, coinnítear teocht an gháis tairiseach. Brúitear an gás go haidiabatach ansin (da). Toisc go bhfuil sé faoi chois go haidiabatach, méadaíonn teocht an gháis. Méadaíonn teocht an gháis ionas go méadaíonn brú an gháis freisin. Tá an próiseas iomlán i dtimthriall Carnot inchúlaithe.
Le linn leathnú iseateirmeach agus brúigh iseateirmeacha, coinnítear teocht an gháis tairiseach. Is é an sprioc aon difríochtaí teochta a sheachaint. Is féidir le difríocht teochta aistriú teasa a chur faoi deara (próiseas dochúlaithe). Chun go dtarlóidh an próiseas iseateirmeach (bíonn teocht an gháis tairiseach i gcónaí) ní mór an gás a leathnú nó a bhrú de réir a chéile. I ndáiríre, tarlaíonn leathnú, nó cosc gáis, níos tapúla. Tá sé seo mar gheall ar suaitheadh (cuimhnigh ábhar sreabhach dinimiciúil), frithchuimilt, slaodacht, srl. Mar thoradh air sin, ní bheidh an próiseas iseateirmeach foirfe ann choíche. Os a choinne sin, bíonn leathnú agus cosc adiabatach tapa.
Is é an sprioc ná an teas a choinneáil ó shreabhadh isteach sa sorcóir nó amach as an sorcóir. Ní bhíonn aon leathnú ná béim iomlán adiabatic mar thoradh ar fhrithchuimilt, slaodacht, srl. Coinnigh i gcuimhne nach bhfuil inneall Carnot ach teoiriciúil. Níl an meaisín Carnot ann inár saol. Cé nach bhfuil ann ach teoiriciúil, is forbairt thairbheach ar theirmidinimic í inneall Carnot. Is féidir ar a laghad aon phróisis neamh-inchúlghairthe a d'fhéadfadh tarlú le linn an phróisis a bheith ar eolas againn agus iarracht a dhéanamh iad a íoslaghdú ionas go mbeidh éifeachtúlacht an innill uasta.
Is é an toradh suntasach a bhaineann le hinneall Carnot ná go bhfuil an teas innill foirfe ann, go bhfuil an teas a fhaightear (QH ) comhréireach leis an teocht ard (TH ) , agus go bhfuil an sceite díreoite (QL ) comhréireach leis an teocht íseal (TL ) . Dá bhrí sin, is é éifeachtúlacht an innill teasa foirfe:
Seo cothromóid éifeachtúlacht an innill teasa foirfe.
Ceist 1:
Oibríonn inneall gaile idir 500 o C agus 300 o C. Faigh amach an éifeachtúlacht idéalach (éifeachtúlacht Carnot) atá ag an inneall gaile.
réiteach
Ba chóir an teocht a thiontú go scála Kelvin.
T H (teocht ard) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (teocht íseal) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Is é 26% éifeachtúlacht inneall teasa foirfe a oibríonn idir 500 °C agus 300 °C. Nuair a oibríonn na meaisíní a úsáidimid inár saol laethúil idir 500 °C agus 300 °C, is é an uaséifeachtúlacht is féidir le meaisíní a bhaint amach ná thart ar 0.7 oiread na héifeachtúlachta idéalach (18.2%).
Ceist 2:
Faigheann inneall teasa 600 J ag teocht 300 °C, déanann sé obair (W) 100 Giúl agus scaoileann sé 500 J ag 100 °C. Faigh amach an éifeachtúlacht iarbhír agus an éifeachtúlacht idéalach (éifeachtúlacht Carnot) den mheaisín seo.
Ba chóir an teocht a thiontú go scála Kelvin
T H (teocht ard) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
T L (teocht íseal) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
QL = 500 J
Éifeachtúlacht innill:
Éifeachtúlacht idéalach an mheaisín seo:
Is é 35% éifeachtúlacht inneall teasa foirfe ag obair idir 300 °C agus 100 °C. Is gnách go mbíonn an uaséifeachtúlacht is féidir leis an meaisín a bhaint amach thart ar 0.7 oiread na héifeachtúlachta idéalach = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J teasa a úsáidtear chun obair a dhéanamh).
Is é 17% éifeachtúlacht iarbhír an mheaisín seo (ní úsáidtear ach 100 J teasa chun obair a dhéanamh). Tá thart ar 147 J – 100 J = 47 J teasa fós ar féidir a úsáid chun obair a dhéanamh.
Ceist 3:
Faigheann meaisín 1000 calraí Giúl agus táirgeann sé 400 Giúl oibre ar gach timthriall. Oibríonn an meaisín seo idir 500 o C agus 200 o C. Ríomh éifeachtúlacht iarbhír agus éifeachtúlacht idéalach an mheaisín seo.
réiteach
T H (teocht ard) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
T L (teocht íseal) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
QL = 400 J
Éifeachtúlacht innill:
Éifeachtúlacht idéalach an mheaisín seo:
Éifeachtúlacht Carnot = 40%. Éifeachtúlacht iarbhír an innill = 60%. Níl an meaisín seo ann. Ní fhéadfadh éifeachtúlacht meaisín a bheith níos mó ná éifeachtúlacht Carnot.
Ceist 4:
Chun go sroichfidh éifeachtúlacht inneall Carnot 100% (1), cad é an teocht urscaoilte (T L ) atá ag teastáil?
réiteach
Chun go sroichfidh éifeachtúlacht foirfe innill 100% (is féidir an teas go léir a úsáid chun obair a dhéanamh), ba chóir go mbeadh an teocht íseal (T L ) 0 Kelvin.
Tá sé dodhéanta teocht 0 Kelvin a bhaint amach. Is é an ráiteas seo an tríú dlí den teirmidinimic.
Ós rud é nach féidir r a bheith ag gach 0 Kelvin, b'fhéidir nach mbeadh éifeachtúlacht 100% ag inneall teasa foirfe. Ós rud é nach féidir leis an inneall teasa éifeachtúlacht 100% a bhaint amach, is féidir a thabhairt i gcrích nach féidir an teas go léir ( QH ) a úsáid chun obair a dhéanamh. Caithfidh go bhfuil roinnt teasa curtha amú (QL ).
Ní féidir aon inneall teasa (a oibríonn i dtimthriall) a bheith ann ar féidir leis an teas go léir a thiontú ina obair (An dara dlí den teirmidinimic, ráiteas Kelvin-Planck).
Taispeánann an graf seo an próiseas isiteirmeach (leathnú isiteirmeach) a tharlaíonn i gcéim amháin. Sa phróiseas seo, is féidir an teas go léir (Q) a thiontú ina obair (W). An méid oibre a dhéantar = an limistéar scáthaithe.
Caithfidh inneall teasa oibriú go leanúnach (ní mór don phróiseas tarlú arís agus arís eile, ní féidir leis tarlú i gcéim amháin). Mar shampla, inneall gaile de chineál malartach. Caithfidh an loine ar inneall gaile malartach bogadh ar dheis agus ar chlé go leanúnach, ionas gur féidir leis na rothaí sníomh (is féidir é a úsáid chun rud éigin a bhogadh). Ní féidir le rothaí rothlú nuair a ghluaiseann an loine chun stopadh ansin (ní tharlaíonn an próiseas ach i gcéim amháin). Má tharlaíonn an próiseas arís agus arís eile, ní féidir an teas go léir a thiontú ina obair (ráiteas Kelvin-Planck).
Taispeánann an graf ar chlé leathnú isiteirmeach (saighead síos) agus comhbhrú isiteirmeach (saighead suas). Tarlaíonn an próiseas go leanúnach go hisiteirmeach (Ní tháirgtear aon obair). Is próiseas leathnú isiteirmeach (saighead síos), próiseas brú isibarach (saighead ar chlé) agus próiseas isocórach (saighead suas) atá sa ghraf ar dheis . Ó na dhá ghraf seo, is cosúil go mbíonn teas amú i gcónaí i bpróiseas leanúnach.
