სტატია კარნოს ძრავის ციკლის შესახებ
სითბური ძრავის ეფექტურობის გაზრდის გზების გასარკვევად, ფრანგმა მეცნიერმა, სახელად სადი კარნომ (1796-1832), 1824 წელს თეორიულად შეისწავლა იდეალური სითბური ძრავა. იმ დროს თერმოდინამიკის პირველი კანონი და თერმოდინამიკის მეორე კანონი ჯერ არ იყო ჩამოყალიბებული. პირველი კანონი არ იყო ჩამოყალიბებული, რადგან მეცნიერებმა ჯერ არ იცოდნენ, რომ სითბო ენერგიაა. მას შემდეგ, რაც ჯოულმა და მისმა მეგობრებმა 1830-იან წლებში ექსპერიმენტები ჩაატარეს, მეცნიერებმა მხოლოდ დანამდვილებით იცოდნენ, რომ სითბო არის ენერგია, რომელიც გადადის ტემპერატურული სხვაობის გამო. ამიტომ, თერმოდინამიკის პირველი კანონი 1830 წლის შემდეგ ჩამოყალიბდა. სადი კარნომ იდეალური სითბური ძრავა თეორიულად 1824 წელს შეისწავლა. მის მიერ ჩატარებული კვლევა სინამდვილეში იმ დროს გამოყენებული ორთქლის ძრავების ეფექტურობის გაზრდას ისახავდა მიზნად. იმ დროს ორთქლის ძრავების უმეტესობა ნაკლებად ეფექტური იყო.
იდეალური სითბური ძრავის ციკლს, რომელიც სადი კარნომ შეიმუშავა, კარნოს ციკლი ეწოდება. კარნოს ციკლის განხილვამდე სასარგებლოა შეუქცევადი პროცესების გაგება. ენერგიის გარდაქმნისა და გადაცემის ყველა ბუნებრივად მიმდინარე პროცესი, როგორც წესი, შეუქცევადია. მაგალითად, თუ ხელებს ერთმანეთზე ვიხეხავთ, ისინი თბება. ამ შემთხვევაში, სითბო წარმოიქმნება ჩვენს მიერ შესრულებული სამუშაოს შედეგად. პროცესი შეუქცევადია. გამომუშავებულ სითბოს ხელების ერთმანეთზე ხახუნით მუშაობის შესრულება დამოუკიდებლად არ შეუძლია. სითბური ძრავის მიზანია ამ პროცესის ნაწილობრივი შებრუნება, სადაც სითბოს გამოყენება შესაძლებელია მაქსიმალური ეფექტურობით მუშაობის შესასრულებლად. იმისათვის, რომ სითბურმა ძრავამ მაქსიმალური ეფექტურობის მიღწევა შეძლოს, უნდა ავიცილოთ თავიდან ყველა შეუქცევადი პროცესი. ბუნებრივად მიმდინარე სითბოს გადაცემა, როგორც წესი, შეუქცევადია, ამიტომ ძალისხმევა კეთდება სითბოს გადაცემის თავიდან ასაცილებლად.
როდესაც ძრავა სითბოს იღებს QH მაღალი ტემპერატურის მქონე ადგილებში (TH), მანქანაში არსებული სამუშაო ნივთიერება ასევე უნდა იყოს T ტემპერატურაზეHანალოგიურად, თუ ძრავა გამოყოფს სითბოს QL დაბალი ტემპერატურის მქონე ადგილებში (TL), მანქანაში არსებული სამუშაო ნივთიერება ასევე უნდა იყოს T ტემპერატურაზეLამგვარად, სითბოს გადაცემასთან დაკავშირებული ყველა პროცესი უნდა იყოს იზოთერმული (იგივე ტემპერატურა). პირიქით, თუ ძრავში სამუშაო ნივთიერების ტემპერატურა T-ს შორისააH და თL, არ უნდა იყოს სითბოს გადაცემა მანქანასა და ადგილს შორის, რომელსაც აქვს ტემპერატურა TH (გათბობის მიმწოდებელი) და ადგილი, სადაც ტემპერატურა T-იაL (განკარგვა). სითბოს გამოყოფის თავიდან ასაცილებლად, პროცესი ადიაბატურად უნდა განხორციელდეს.
კარნოს ციკლი სინამდვილეში შედგება ორი შექცევადი იზოთერმული პროცესისა და ორი შექცევადი ადიაბატური პროცესისგან.
მარჯვენა მხარეს მოცემულ ფიგურაზე ნაჩვენებია იდეალური აირის კარნოს ციკლი. თავდაპირველად, სითბო შთანთქავს იზოთერმული გაფართოების დროს (a-b). იზოთერმული გაფართოების დროს ცილინდრში აირის ტემპერატურა მუდმივია.
შემდეგ, აირი ადიაბატურად ფართოვდება ისე, რომ მისი ტემპერატურა T H- დან T L- მდე ეცემა (b-c). T H = მაღალი ტემპერატურა (მაღალი ტემპერატურა), T L = დაბალი ტემპერატურა (დაბალი ტემპერატურა). ადიაბატური გაფართოების დროს, სითბო არ შედის და არ გადის ცილინდრში. ამის შემდეგ, აირი იზოთერმულად შეკუმშულია (c-d). იზოთერმული შეკუმშვის დროს, აირის ტემპერატურა მუდმივია. შემდეგ, აირი ადიაბატურად შეკუმშულია (d-a). რადგან ის ადიაბატურად შეკუმშულია, აირის ტემპერატურა იზრდება. აირის ტემპერატურა იზრდება ისე, რომ აირის წნევაც იზრდება. კარნოს ციკლში ყველა პროცესი შექცევადია.
იზოთერმული გაფართოებისა და შეკუმშვის დროს აირის ტემპერატურა მუდმივია. მიზანია ტემპერატურული სხვაობების თავიდან აცილება. ტემპერატურულმა სხვაობამ შეიძლება გამოიწვიოს სითბოს გადაცემა (შეუქცევადი პროცესი). იზოთერმული პროცესის (აირის ტემპერატურის მუდმივი შენარჩუნების) განსახორციელებლად, აირი ნელა უნდა გაფართოვდეს ან შეკუმშოს. სინამდვილეში, აირის გაფართოება ან შეკუმშვა უფრო სწრაფად ხდება. ეს გამოწვეულია ტურბულენტობით (გაიხსენეთ სითხის დინამიკის თემა), ხახუნით, სიბლანტით და ა.შ. შედეგად, იდეალური იზოთერმული პროცესი არასდროს იარსებებს. ამის ნაცვლად, ადიაბატური გაფართოება და შეკუმშვა სწრაფად ხდება.
მიზანია ცილინდრში სითბოს შეღწევის ან ცილინდრიდან გამოსვლის თავიდან აცილება. ხახუნი, სიბლანტე და სხვა ფაქტორები ხელს უშლის იდეალურ ადიაბატურ გაფართოებას და შეკუმშვას. მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ კარნოს ძრავა წმინდა თეორიულია; ის ჩვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაში არ არსებობს. თეორიული მიუხედავად, კარნოს ძრავა მნიშვნელოვნად უწყობს ხელს თერმოდინამიკის განვითარებას. სულ მცირე, ჩვენ შეგვიძლია ამ პროცესის დროს შესაძლო შეუქცევადი პროცესების იდენტიფიცირება და მათი მინიმუმამდე დაყვანა, რითაც მაქსიმალურად გავზრდით ჩვენს მიერ შექმნილი თბოძრავის ეფექტურობას.
კარნოს ძრავის ძალიან მნიშვნელოვანი შედეგი ის არის, რომ იდეალური სითბური ძრავისთვის მიღებული სითბო (Q H ) პროპორციულია ტემპერატურის T H და გამოყოფილი სითბო (Q L ) პროპორციულია ტემპერატურის T L . ამრიგად, იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობაა:
მაგალითი კითხვა 1:
ორთქლის ძრავა მუშაობს 500 ° C-დან 300 ° C-მდე ტემპერატურაზე. განსაზღვრეთ ორთქლის ძრავის იდეალური ეფექტურობა (კარნოს ეფექტურობა).
დისკუსია
ტემპერატურა კელვინის შკალით უნდა გადაიყვანოთ.
T H (მაღალი ტემპერატურა) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (დაბალი ტემპერატურა) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
500 ° C-დან 300 ° C- მდე მომუშავე იდეალური სითბური ძრავის იდეალური ეფექტურობა ან ეფექტიანობა 26%-ია. თუ ყოველდღიურ ცხოვრებაში გამოყენებული ძრავა 500 ° C-დან 300 ° C-მდე მუშაობს, ძრავის მიერ მიღწეული მაქსიმალური ეფექტურობა, როგორც წესი, იდეალურ ეფექტურობაზე დაახლოებით 0,7-ჯერ მეტია (18,2%).
მაგალითი კითხვა 2:
სითბური ძრავა 300 ° C ტემპერატურაზე იღებს 600 ჯოულ სითბოს (Q) , ასრულებს 100 ჯოულ მუშაობას (W) და გამოყოფს 500 ჯ-ს 100 ° C ტემპერატურაზე. განსაზღვრეთ ამ ძრავის ფაქტობრივი და იდეალური ეფექტურობა (კარნოს ეფექტურობა)...
დისკუსია
ტემპერატურა კელვინის შკალით უნდა გადაიყვანოთ.
T H (მაღალი ტემპერატურა) = 300 o C ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
T L (დაბალი ტემპერატურა) = 100 o C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
ძრავის ეფექტურობა:
300 ° C-დან 100 ° C- მდე მომუშავე იდეალური სითბური ძრავის იდეალური ეფექტურობა ან ეფექტიანობა 35%-ია. ძრავის მიერ მიღწეული მაქსიმალური ეფექტურობა, როგორც წესი, იდეალური ეფექტურობის დაახლოებით 0,7-ჯერ მეტია = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 ჯ = 147 ჯ სითბო, რომლის გამოყენებაც შესაძლებელია სამუშაოს შესასრულებლად).
ამ ძრავის ფაქტობრივი ეფექტურობა 17%-ია (მუშაობის შესასრულებლად მხოლოდ 100 ჯ სითბო გამოიყენება). მუშაობის შესასრულებლად კიდევ დაახლოებით 147 ჯ – 100 ჯ = 47 ჯ სითბოა შესაძლებელი. კარგი იქნებოდა, თუ ამ ძრავის ეფექტურობა გაიზრდება, რათა მინიმუმამდე დავიყვანოთ დანაკარგები, რომლებსაც ვიღებთ.
მაგალითი კითხვა 3:
მანქანა თითოეულ ციკლში იღებს 1000 ჯოულ სითბოს და გამოიმუშავებს 400 ჯოულ მუშაობას. ეს მანქანა მუშაობს 500 ° C-დან 200 ° C-მდე ტემპერატურაზე. რა არის ამ მანქანის ფაქტობრივი და იდეალური ეფექტურობა?
დისკუსია
T H (მაღალი ტემპერატურა) = 500 o C ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
T L (დაბალი ტემპერატურა) = 200 o C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
ძრავის ეფექტურობა:
ამ მოწყობილობის იდეალური ეფექტურობაა:
იდეალური ეფექტურობა, ასევე ცნობილი როგორც კარნოს ეფექტურობა, არის 40%. ძრავის ფაქტობრივი ეფექტურობა 60%-ია. ასეთი ძრავა არ არსებობს. შეუძლებელია ძრავის ეფექტურობამ გადააჭარბოს კარნოს ეფექტურობას.
მაგალითი კითხვა 4:
იმისათვის, რომ კარნოს ძრავის ეფექტურობამ 100%-ს (1) მიაღწიოს, რა არის გამონაბოლქვის ტემპერატურა (TL ) საჭირო?
დისკუსია
იმისათვის, რომ იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობამ 100%-ს მიაღწიოს (მთელი შემავალი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას სამუშაოს შესასრულებლად), გამონაბოლქვი აირების ტემპერატურა (TL ) უნდა იყოს = 0 კელვინი.
0 კელვინის ტემპერატურის მიღწევა შეუძლებელია. ეს დებულება თერმოდინამიკის მესამე კანონია.
რადგან 0 კელვინის მიღწევა შეუძლებელია, იდეალურ სითბურ ძრავას 100%-იანი ეფექტურობა ვერ ექნება. იდეალურ სითბურ ძრავასაც კი არ შეუძლია 100%-იანი ეფექტურობა, რომ აღარაფერი ვთქვათ იმ სითბურ ძრავებზე, რომლებსაც ყოველდღიურ ცხოვრებაში ვიყენებთ.
რადგან სითბური ძრავით 100%-იანი ეფექტურობის მიღწევა შეუძლებელია, შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ შეუძლებელია შემავალი სითბოს (Q H ) მთელი გამოყენება სამუშაოს შესასრულებლად. უნდა არსებობდეს გარკვეული სითბოს დაკარგვა (Q L ).
შეუძლებელია სითბური ძრავისთვის (ციკლურად მომუშავე) მთელი სითბო მუშაობად გარდაქმნას (თერმოდინამიკის მეორე კანონი - კელვინ-პლანკის დებულება).
ზემოთ მოყვანილი მუქი, დახრილი შრიფტით დაწერილი ტექსტი თერმოდინამიკის მეორე კანონის განსაკუთრებული დებულებაა. მას განსაკუთრებული დებულება ეწოდება, რადგან ის მხოლოდ სითბურ ძრავებს ეხება. რადგან კელვინმა და პლანკმა ჩამოაყალიბეს, მას ასევე კელვინ-პლანკის დებულებასაც უწოდებენ. ყურადღება მიაქციეთ სიტყვა „ციკლის“ არსებობას ზემოთ მოცემულ დებულებაში. ციკლი არის პროცესი, რომელიც განმეორებით ხდება. ამგვარად, სითბური ძრავა განუწყვეტლივ მუშაობს. სიტყვა „ციკლი“ დამატებულია, რადგან სინამდვილეში, მთელი სითბო შეიძლება გარდაიქმნას მუშაობად, თუ პროცესი მხოლოდ ერთხელ მოხდება.
თერმოდინამიკის პირველ კანონში ახსნილი იყო რამდენიმე თერმოდინამიკური პროცესი, მათ შორის იზოთერმული, იზობარული, იზოქორიული და ადიაბატური პროცესები. იზოთერმულ პროცესში მთელი სითბო შეიძლება გარდაიქმნას მუშაობად (Q = W). ეს შეიძლება მოხდეს, თუ პროცესი მხოლოდ ერთ ეტაპზე მიმდინარეობს. დააკვირდით ქვემოთ მოცემულ სურათს:
ეს გრაფიკი ასახავს იზოთერმულ პროცესს (იზოთერმულ გაფართოებას), რომელიც ერთ საფეხურზე მიმდინარეობს. ამ პროცესში მთელი სითბო (Q) გარდაიქმნება მუშაობად (W). შესრულებული სამუშაოს რაოდენობა = დაჩრდილული ფართობი.
გამოსადეგი რომ იყოს, სითბური ძრავა უწყვეტად უნდა მუშაობდეს (პროცესი უნდა განმეორდეს და არა მხოლოდ ერთ ეტაპზე). მაგალითად, ორმხრივი ორთქლის ძრავა. ორმხრივ ორთქლის ძრავაში დგუში უწყვეტად უნდა მოძრაობდეს მარჯვნივ და მარცხნივ, რათა ბორბალმა შეძლოს ბრუნვა (შეიძლება გამოყენებულ იქნას რაიმეს გადასაადგილებლად). ბორბალს არ შეუძლია ბრუნვა, თუ დგუში მხოლოდ მარჯვნივ მოძრაობს, რის შემდეგაც ის ჩერდება (პროცესი მხოლოდ ერთ ეტაპზე მიმდინარეობს). თუ პროცესი განმეორდება (დგუში განუწყვეტლივ მოძრაობს მარჯვნივ და მარცხნივ), შეუძლებელია მთელი სითბო გარდაიქმნას მუშაობად (კელვინ-პლანკის დებულება). მაგალითად, განვიხილოთ ზემოთ მოცემულ გრაფიკზე ნაჩვენები იზოთერმული პროცესი.
მარცხენა მხარეს გრაფიკი აჩვენებს იზოთერმულ გაფართოებას (ქვევით მიმართული ისარი) და იზოთერმულ შეკუმშვას (ზემოთ მიმართული ისარი). პროცესი მიმდინარეობს უწყვეტად იზოთერმულად (მუშაობა არ წარმოიქმნება). მარჯვენა მხარეს გრაფიკი აჩვენებს იზოთერმულ გაფართოებას (ქვევით მიმართული ისარი), იზობარულ შეკუმშვას (მარცხენა ისარი) და იზოქორიულ პროცესს (ზემოთ მიმართული ისარი). ამ ორი გრაფიკიდან ნათლად ჩანს, რომ უწყვეტად მიმდინარე პროცესებისთვის (ციკლური) ყოველთვის ხდება სითბოს დანაკარგი. ეს შეესაბამება კელვინ-პლანკის წინა დებულებას.
