Карно қозғалтқышының циклі туралы мақала
Жылу қозғалтқышының тиімділігін қалай арттыру керектігін білу үшін француз ғалымы Сади Карно (1796-1832) 1824 жылы идеалды жылу қозғалтқышын теориялық тұрғыдан зерттеді. Сол кезде термодинамиканың бірінші заңы да, термодинамиканың екінші заңы да тұжырымдалмаған еді. Бірінші заң тұжырымдалмаған, себебі ғалымдар жылудың энергия екенін әлі білмеген. Джоуль мен оның достары 1830 жылдары тәжірибелер жүргізгеннен кейін, ғалымдар жылудың температура айырмашылығына байланысты берілетін энергия екенін тек нақты білді. Сонымен, термодинамиканың бірінші заңы 1830 жылдан кейін тұжырымдалды. Сади Карно идеалды жылу қозғалтқышын 1824 жылы теориялық тұрғыдан зерттеген. Ол жүргізген зерттеулер шын мәнінде сол кезде қолданылып жүрген бу қозғалтқыштарының тиімділігін арттыру болды. Сол кездегі бу қозғалтқыштарының көпшілігінің тиімділігі төмен болды.
Сади Карно жасаған идеалды жылу қозғалтқышындағы цикл Карно циклі деп аталады. Карно циклін қарастырмас бұрын, қайтымсыз процестерді түсіну пайдалы. Энергияның түрленуі мен берілуінің әрбір табиғи процесі әдетте қайтымсыз. Мысалы, егер біз қолдарымызды бір-біріне үйкесек, олар жылы сезіледі. Бұл жағдайда жылу біз атқаратын жұмыс арқылы пайда болады. Процесс қайтымсыз. Өндірілген жылу қолдарымызды бір-біріне үйкеу арқылы өздігінен жұмыс атқара алмайды. Жылу қозғалтқышының мақсаты - бұл процесті ішінара кері қайтару, мұнда жылуды жұмысты мүмкіндігінше ең жоғары тиімділікпен орындау үшін пайдалануға болады. Жылу қозғалтқышының максималды тиімділікке жетуі үшін біз барлық қайтымсыз процестерден аулақ болуымыз керек. Табиғи жылу берілуі әдетте қайтымсыз, сондықтан жылу берілуінің алдын алуға күш салынады.
Қозғалтқыш Q қызған кездеH жоғары температуралы жерлерде (TH), машинадағы жұмыс заты да Т температурасында болуы керекHСол сияқты, егер қозғалтқыш Q жылуын алып тастасаL температурасы төмен жерлерде (TL), машинадағы жұмыс заты да Т температурасында болуы керекLСонымен, жылу беруді қамтитын әрбір процесс изотермиялық (бірдей температура) болуы керек. Керісінше, егер қозғалтқыштағы жұмыс затының температурасы Т аралығында болсаH және ТL, машина мен температурасы T болатын орын арасында жылу алмасу болмауы керекH (жылумен жабдықтаушы) және температурасы Т болатын орынL (жою). Жылу сыртқа шықпауы үшін процесс адиабаттық түрде жүргізілуі керек.
Карно циклі іс жүзінде екі қайтымды изотермиялық процесстен және екі қайтымды адиабаталық процесстен тұрады.
Оң жақтағы суретте идеал газ үшін Карно циклі көрсетілген. Бастапқыда жылу изотермиялық кеңею кезінде (а-б) сіңіріледі. Изотермиялық кеңею кезінде цилиндрдегі газдың температурасы тұрақты сақталады.
Келесі кезекте, газ адиабаталық түрде кеңейеді, сондықтан оның температурасы T H- ден T L- ге дейін төмендейді (b-c). T H = жоғары температура (Жоғары температура), T L = төмен температура (Төмен температура). Адиабаталық кеңею кезінде цилиндрге жылу кірмейді немесе шықпайды. Осыдан кейін газ изотермиялық түрде сығылады (c-d). Изотермиялық сығылу кезінде газ температурасы тұрақты болып қалады. Келесі кезекте, газ адиабаталық түрде сығылады (d-a). Адиабаттық түрде сығылғандықтан, газ температурасы артады. Газ температурасы артады, сондықтан газ қысымы да артады. Карно цикліндегі барлық процестер қайтымды.
Изотермиялық кеңею және сығылу кезінде газ температурасы тұрақты сақталады. Мақсат - температура айырмашылығын болдырмау. Температура айырмашылығы жылу берілуіне әкелуі мүмкін (қайтымсыз процесс). Изотермиялық процестің жүруі үшін (газ температурасын тұрақты ұстау) газ баяу кеңеюі немесе сығылуы керек. Шын мәнінде, газдың кеңеюі немесе сығылуы жылдамырақ жүреді. Бұл турбуленттілікке (сұйықтық динамикасы тақырыбын есте сақтаңыз), үйкеліске, тұтқырлыққа және т.б. байланысты. Нәтижесінде, мінсіз изотермиялық процесс ешқашан болмайды. Оның орнына, адиабаталық кеңею және сығылу тез жүреді.
Мақсат - жылудың цилиндрге немесе одан шығуына жол бермеу. Үйкеліс, тұтқырлық және басқа да факторлар мінсіз адиабаталық кеңею мен сығылуға кедергі келтіреді. Карно қозғалтқышы тек теориялық екенін; ол біздің күнделікті өмірімізде жоқ екенін атап өту маңызды. Теориялық болғанымен, Карно қозғалтқышы термодинамиканың дамуына айтарлықтай үлес қосады. Ең болмағанда, біз процесс барысында болуы мүмкін кез келген қайтымсыз процестерді анықтап, оларды азайтуға тырыса аламыз, осылайша біз жобалаған жылу қозғалтқышының тиімділігін барынша арттырамыз.
Карно қозғалтқышының өте маңызды нәтижесі - мінсіз жылу қозғалтқышы үшін алынған жылу (QH ) TH температурасына пропорционалды , ал бөлініп шыққан жылу (QL ) TL температурасына пропорционалды . Осылайша, мінсіз жылу қозғалтқышының тиімділігі:
1-мысал сұрақ:
Бу қозғалтқышы 500 ° C және 300 ° C аралығында жұмыс істейді. Бу қозғалтқышының идеалды тиімділігін (Карно тиімділігі) анықтаңыз.
Талқылау
Температураны Кельвин шкаласына айналдыру керек.
T H (жоғары температура) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
Т L (төмен температура) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
500 ° C және 300 ° C аралығында жұмыс істейтін мінсіз жылу қозғалтқышының идеалды тиімділігі немесе тиімділігі 26% құрайды. Егер біз күнделікті өмірде қолданатын қозғалтқыш 500 ° C және 300 ° C аралығында жұмыс істесе, қозғалтқыштың қол жеткізе алатын максималды тиімділігі әдетте идеалды тиімділіктің шамамен 0,7 есесін құрайды (18,2%).
2-мысал сұрақ:
Жылу қозғалтқышы 300 ° C температурада 600 Дж жылу (Q) алады , 100 Дж жұмыс (W) орындайды және 100 ° C температурада 500 Дж жылуды бөліп шығарады. Осы қозғалтқыштың нақты ПӘК және идеалды ПӘК-ін (Карно ПӘК) анықтаңыз...
Талқылау
Температураны Кельвин шкаласына айналдыру керек.
T H (жоғары температура) = 300 o C ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
Т L (төмен температура) = 100 o C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 Дж
Q L = 500 Дж
Қозғалтқыштың тиімділігі:
300 ° C және 100 ° C аралығында жұмыс істейтін мінсіз жылу қозғалтқышының идеалды тиімділігі немесе тиімділігі 35% құрайды. Қозғалтқыш қол жеткізе алатын максималды тиімділік әдетте идеалды тиімділіктің шамамен 0,7 есесін құрайды = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 Дж = жұмыс істеуге болатын 147 Дж жылу).
Бұл қозғалтқыштың нақты ПӘК-і 17% құрайды (жұмыс істеуге тек 100 Дж жылу жұмсалады). Жұмыс істеуге әлі де шамамен 147 Дж – 100 Дж = 47 Дж жылу жұмсалуы мүмкін. Шығындарды азайту үшін осы қозғалтқыштың тиімділігін арттыруға болатын болса жақсы болар еді.
3-мысал сұрақ:
Машина әр циклде 1000 Дж жылу қабылдайды және 400 Дж жұмыс өндіреді. Бұл машина 500 ° C және 200 ° C аралығында жұмыс істейді. Бұл машинаның нақты тиімділігі мен идеалды тиімділігі қандай?
Талқылау
T H (жоғары температура) = 500 o C ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
Т L (төмен температура) = 200 o C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 Дж
Q L = 400 Дж
Қозғалтқыштың тиімділігі:
Бұл машинаның оңтайлы өнімділігі:
Идеал тиімділік, сондай-ақ Карно тиімділігі деп те аталады, 40% құрайды. Қозғалтқыштың нақты тиімділігі 60% құрайды. Мұндай қозғалтқыш жоқ. Қозғалтқыштың тиімділігі Карно тиімділігінен асып кетуі мүмкін емес.
4-мысал сұрақ:
Карно қозғалтқышының ПӘК 100%-ға (1) жетуі үшін, шығатын газдың температурасы (ТТ ) қандай болуы керек?
Талқылау
Идеал жылу қозғалтқышының тиімділігі 100%-ға жетуі үшін (барлық кіріс жылуын жұмыс істеуге пайдалануға болады), шығатын газдың температурасы (TL ) = 0 Кельвин болуы керек.
0 Кельвин температурасына жету мүмкін емес. Бұл тұжырым термодинамиканың үшінші заңы болып табылады.
0 Кельвинге жету мүмкін емес болғандықтан, мінсіз жылу қозғалтқышы 100% тиімділікке ие бола алмайды. Тіпті мінсіз жылу қозғалтқышы да 100% тиімділікке ие бола алмайды, күнделікті өмірде қолданатын жылу қозғалтқыштарын айтпағанда.
Жылу қозғалтқышы 100% тиімділікке қол жеткізе алмайтындықтан, барлық кіріс жылуын (QH) жұмыс істеуге пайдалану мүмкін емес деген қорытынды жасауға болады . Біраз жылу жоғалуы керек (QL ).
Жылу қозғалтқышының (циклде жұмыс істейтін) барлық жылуды жұмысқа айналдыруы мүмкін емес (термодинамиканың екінші заңы - Кельвин-Планк тұжырымы).
Жоғарыдағы қалың курсивпен жазылған мәтін термодинамиканың екінші заңының арнайы тұжырымы болып табылады. Ол тек жылу қозғалтқыштарына қолданылатындықтан арнайы тұжырым деп аталады. Оны Кельвин мен Планк тұжырымдағандықтан, ол Кельвин-Планк тұжырымы деп те аталады. Жоғарыдағы тұжырымда «цикл» сөзінің болуына назар аударыңыз. Цикл - бұл бірнеше рет болатын процесс. Демек, жылу қозғалтқышы үздіксіз жұмыс істейді. «Цикл» сөзі қосылған, себебі іс жүзінде процесс тек бір рет қана жүрсе, барлық жылу жұмысқа айналуы мүмкін.
Термодинамиканың бірінші заңында изотермиялық, изобаралық, изохоралық және адиабаталық процестерді қоса алғанда, бірнеше термодинамикалық процестер түсіндірілді. Изотермиялық процесте барлық жылу жұмысқа айналуы мүмкін (Q = W). Бұл процесс тек бір сатыда жүрсе ғана орын алуы мүмкін. Төмендегі суретке қараңыз:
Бұл графикте бір қадамда жүретін изотермиялық процесс (изотермиялық кеңею) көрсетілген. Бұл процесте барлық жылу (Q) жұмысқа (W) айналады. Орындалған жұмыс көлемі = көлеңкеленген аумақ.
Пайдалы болу үшін жылу қозғалтқышы үздіксіз жұмыс істеуі керек (процесс бір сатыда емес, бірнеше рет жүруі керек). Мысалы, поршеньді бу қозғалтқышы. Поршеньді бу қозғалтқышындағы поршень дөңгелек айнала алатындай етіп оңға және солға үздіксіз қозғалуы керек (бір нәрсені жылжыту үшін пайдаланылуы мүмкін). Поршень тек оңға қарай қозғалса, доңғалақ айнала алмайды, содан кейін ол тоқтайды (процесс тек бір сатыда жүреді). Егер процесс бірнеше рет жүрсе (поршень үздіксіз оңға және солға қозғалса), барлық жылудың жұмысқа айналуы мүмкін емес (Кельвин-Планк тұжырымы). Мысалы, жоғарыдағы графикте көрсетілген изотермиялық процесті қарастырайық.
Сол жақтағы графикте изотермиялық кеңею (төмен қарай көрсеткі) және изотермиялық сығылу (жоғары қарай көрсеткі) көрсетілген. Процесс үздіксіз изотермиялық түрде жүреді (жұмыс жасалмайды). Оң жақтағы графикте изотермиялық кеңею (төмен қарай көрсеткі), изобаралық сығылу (сол жақ көрсеткі) және изохоралық процесс (жоғары қарай көрсеткі) көрсетілген. Осы екі графиктен үздіксіз жүретін процестер үшін (цикл) әрқашан жылу шығыны болатыны анық. Бұл алдыңғы Кельвин-Планк тұжырымына сәйкес келеді.
