Ji bo ku fêr bibe ka meriv çawa karîgeriya motora germê zêde dike , zanyarekî Fransî yê bi navê Sadi Carnot (1796-1832) di sala 1824an de makîneyek kalorî ya teorîk a îdeal lêkolîn kir. Wê demê, qanûna yekem a termodînamîkê û qanûna duyem a termodînamîkê nehatibûn formulekirin. Qanûna yekem nehatiye formulekirin ji ber ku zanyar hîn nizanin ku germ enerjî ye. Piştî ku Joule û hevkarên wî di salên 1830an de ceribandin kirin, zanyaran kifş kirin ku germ enerjî ye ku ji ber cûdahiyên germahiyê tevdigere. Ji ber vê yekê, qanûna yekem a termodînamîkê piştî sala 1830an hate formulekirin. Sadi Carnot di sala 1824an de li ser motora kalorî ya teorîk a îdeal lêkolîn dikir. Lêkolîna wî di rastiyê de ji bo zêdekirina karîgeriya motora buharê bû. Piraniya motorên buharê yên wê demê kêmtir karîger bûn.
Çerxa li ser motora germê ya îdeal a ramana Sadi Carnot wekî çerxa Carnot tê binavkirin. Berî ku em çerxa Carnot fêr bibin, me pêvajoya bêveger dîsa fêm kir. Her pêvajoyek guherîna enerjiyê û veguhestina enerjiyê bi awayekî bêveger çêdibe. Mînakî, em destên xwe dişon da ku dest germ bibin. Germahî bi saya karê ku em dikin çêdibe. Pêvajo bêveger e. Germahî nikare destan bişo.
Armanca motora germê ew e ku hin ji vê pêvajoyê berevajî bike, ku germ dikare were bikar anîn da ku kar bi karîgeriya herî bilind pêk bîne. Ji bo ku motora germê xwedî karîgeriya herî zêde be, divê em ji hemî pêvajoyên bêveger dûr bisekinin. Veguhestina germê bi xwezayî bêveger e, ji ber vê yekê tevgera germê çênabe.
Dema ku motor germê (Q₂H₄ ) di germahiyek bilind (T₂H₄ ) de digire , divê şilava xebatê ya di makîneyê de jî di germahiya T₂H₄ de be . Bi heman awayî, heke motor germahiya Q₂L di germahiyek nizm (T₂L ) de derxe , divê şilava xebatê ya di makîneyê de jî di germahiya T₂L de be . Ji ber vê yekê, her pêvajoyek ku veguhestina germê vedihewîne divê îzotermîk be (heman germahî). Berevajî vê, heke germahiya perçeya kar di makîneyê de di navbera T₂H₄ û T₂L de be , di navbera makîneya ku cihê germahiya T₂H₄ (dabînkerê germê) û qada ku germahiya T₂L (derxistin) heye de veguhestina germê çênabe . Ji bo ku germ neçe, wê hingê pêvajo divê bi awayekî adîabatîk were kirin.
Çerxa Carnot ji du pêvajoyên îzotermîk ên berevajî û du pêvajoyên adîabatîk ên berevajî pêk tê.
Wêneya li kêlekê Çerxa Carnot a pistonê ji bo gazeke îdeal e. Pêşî, germ di dema berfirehbûna îzotermîk (ab) de tê kişandin. Di dema berfirehbûna îzotermîk de, germahiya gazê di silindirê de sabît dimîne.
Piştre, gaz bi awayekî adîabatîk berfireh dibe, ji ber vê yekê germahî ji Th dadikeve Tl ( bc ). Th = germahiya bilind, Tl = germahiya nizm. Di dema berfirehbûna adîabatîk de, germahî nakeve nav silindirê û dernakeve. Piştî vê yekê, gaz bi awayekî îzotermîk tê zextkirin (cd). Di dema zexta îzotermîk de, germahiya gazê sabît dimîne. Dûv re gaz bi awayekî adîabatîk tê zextkirin (da). Ji ber ku ew bi awayekî adîabatîk tê tepeserkirin, germahiya gazê zêde dibe. Germahiya gazê zêde dibe, ji ber vê yekê zexta gazê jî zêde dibe. Tevahiya pêvajoya di çerxa Carnot de berevajî ye.
Di dema berfirehbûna îzotermîk û pêlên îzotermîk de, germahiya gazê sabît dimîne. Armanc ew e ku ji her cûdahiya germahiyê dûr bikevin. Hebûna cûdahiya germahiyê dikare bibe sedema veguhestina germê (pêvajoyek bêveger). Ji bo ku pêvajoya îzotermîk çêbibe (germahiya gazê her gav sabît e) divê gaz hêdî hêdî were berfirehkirin an jî were pêlkirin. Di rastiyê de, berfirehkirin, an jî tepeserkirina gazê, zûtir çêdibe. Ev ji ber turbulansê ye (materyalê şilava dînamîk bi bîr bînin), xişandinê, vîskozîteyê, û hwd. Di encamê de, pêvajoya îzotermîk a bêkêmasî qet çênabe. Berevajî vê, berfirehkirin û tepeserkirina adîabatîk bilez in.
Armanc ew e ku germahî nekeve nav silindirê an jî ji silindirê derkeve. Hebûna xişandinê, vîskozîteyê û hwd. dibe sedema berfirehbûn û tekeziya adîabatîk a tevahî. Ji bîr mekin ku motora Carnot tenê teorîk e. Makîneya Carnot di jiyana me de tune ye. Her çend tenê teorîk be jî, hebûna motora Carnot pêşketina sûdmend a termodînamîkê ye. Bi kêmanî dikare ji her pêvajoyên bêveger ên ku di dema pêvajoyê de çêdibin were zanîn û hewl were dayîn ku ew kêm bibin da ku karîgeriya motorê herî zêde be.
Encama girîng a motora Carnot ji bo germahiya motorê ya bêkêmasî ye, germahiya wergirtî (Q2H ) bi germahiya bilind ( T3H ) re rêjeyî ye , û dûmana helandî (Q2L ) bi germahiya nizm (T3L) re rêjeyî ye . Bi vî awayî, karîgeriya motora germê ya bêkêmasî ev e:
Ev hevkêşeya karîgeriya motora germê ya bêkêmasî ye.
Pirs 1:
Lokomotîveke buharê di navbera 500 ° C û 300 ° C de dixebite. Karîgeriya îdeal (karîgeriya Carnot) ya lokomotîva buharê diyar bike.
Çare
Divê germahî li gorî pîvana Kelvin were veguheztin.
T H (germahiya bilind) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (germahiya nizm) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Karîgeriya motoreke germê ya bêkêmahî ku di navbera 500 °C û 300 °C de dixebite %26 e. Dema ku makîneyên ku em di jiyana xwe ya rojane de bikar tînin di navbera 500 °C û 300 °C de dixebitin, karîgeriya herî zêde ya ku makîne dikarin bi dest bixin nêzîkî 0.7 carî karîgeriya îdeal (%18.2) e.
Pirs 2:
Motoreke germê di germahiya 300°C de 600 J werdigire, karê (W) 100 Joules pêk tîne û di 100°C de 500 J derdixe. Karîgeriya rastîn û karîgeriya îdeal (karîgeriya Carnot) ya vê makîneyê diyar bike.
Pêdivî ye ku germahî li gorî pîvana Kelvin were veguheztin
T H (germahiya bilind) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
T L (germahiya nizm) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
Karîgeriya motorê:
Karîgeriya îdeal a vê makîneyê:
Karîgeriya motoreke germê ya bêkêmahî ku di navbera 300 °C û 100 °C de dixebite %35 e. Karîgeriya herî zêde ku makîne dikare bi dest bixe bi gelemperî nêzîkî 0.7 carî ya karîgeriya îdeal e = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J germahiya ku ji bo kirina kar tê bikar anîn).
Karîgeriya rastîn a vê makîneyê %17 e (tenê 100 J germahî ji bo kirina kar tê bikar anîn). Dîsa jî dora 147 J – 100 J = 47 J germahî dikare ji bo kirina kar were bikar anîn.
Pirs 3:
Makîneyek di her çerxê de 1000 Joule kalorî werdigire û 400 Joule kar çêdike. Ev makîne di navbera 500 ° C û 200 ° C de dixebite. Karîgeriya rastîn û karîgeriya îdeal a vê makîneyê hesab bike.
Çare
T H (germahiya bilind) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
T L (germahiya nizm) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
Karîgeriya motorê:
Karîgeriya îdeal a vê makîneyê:
Karîgeriya Carnot = %40 Karîgeriya rastîn a motorê = %60. Ev makîne tune ye. Karîgeriya makîneyekê nikarîbû ji karîgeriya Carnot mezintir be.
Pirs 4:
Ji bo ku karîgeriya motora Carnot bigihîje %100 (1), germahiya derxistinê ya pêwîst (T L ) çi ye?
Çare
Ji bo ku karîgeriya motorê bigihêje %100 (hemû germ dikare ji bo kirina kar were bikar anîn), divê germahiya nizm (TL ) 0 Kelvin be.
Gihiştina germahiya 0 Kelvin ne mimkûn e. Ev gotin qanûna sêyemîn a termodînamîkê ye.
Ji ber ku r her 0 Kelvin ne mimkûn e, wê demê motora germê ya bêkêmasî dibe ku nebe xwediyê karîgeriya %100. Ji ber ku motora germê nikare karîgeriya %100 bi dest bixe, dikare were encam kirin ku ne mimkûn e ku hemî germê (Q2H2) ji bo kirina kar were bikar anîn . Divê hin germê berbat ( Q2L ) hebe.
Ti motorek germê (ku bi çerxekî dixebite) nikare hemû germê veguherîne kar (Qanûna Duyemîn a termodînamîkê, daxuyaniya Kelvin-Planck).
Ev grafîk pêvajoya îzotermîk (berfirehbûna îzotermîk) nîşan dide ku tenê di qonaxekê de çêdibe. Di vê pêvajoyê de, hemû germahî (Q) dikare were veguherandin kar (W). Mîqdara karê ku tê kirin = qada tarîkirî.
Motora germê divê bi berdewamî bixebite (pêvajo divê dubare bibe, nikare tenê di yek gavê de çêbibe). Bo nimûne, motora buharê ya celebê alternatîf. Pistona li ser motora buharê ya alternatîf divê bi berdewamî ber bi rast û çepê ve biçe, da ku teker bikaribin bizivirin (dikare ji bo tevgerandina tiştekî were bikar anîn). Teker nikarin bizivirin dema ku piston ji bo rawestandina rastê diçe wê demê (pêvajo tenê di yek qonaxê de çêdibe). Ger pêvajo bi dubare bibe, ne mimkûn e ku hemî germî veguhere kar (daxuyaniya Kelvin-Planck).
Grafîka li milê çepê berfirehbûna îzotermîk (tîra jêr) û zexta îzotermîk (tîra jor) nîşan dide. Pêvajo bi awayekî îzotermîk berdewam pêk tê (Kar nayê hilberandin). Grafîka li milê rastê pêvajoyek berfirehbûna îzotermîk (tîra jêr), pêvajoya zexta îzobarîk (tîra çepê) û pêvajoyek îzotermîk (tîra jor) nîşan dide. Ji van her du grafîkan, xuya dike ku ji bo pêvajoyek domdar, her gav germahiyek berbat dibe.
