Жылуулук кыймылдаткычынын натыйжалуулугун кантип жогорулатууну билүү үчүн , француз окумуштуусу Сади Карно (1796-1832) 1824-жылы идеалдуу теориялык калориялуу машинаны изилдеген. Ал кезде термодинамиканын биринчи мыйзамы да, термодинамиканын экинчи мыйзамы да иштелип чыга элек болчу. Биринчи мыйзам иштелип чыга элек, анткени окумуштуулар жылуулук энергия экенин али билишпейт. Джоуль жана анын кесиптештери 1830-жылдары эксперимент жүргүзгөндөн кийин, окумуштуулар жылуулук температуранын айырмачылыктарынан улам кыймылдаган энергия экенин аныкташкан. Ошентип, термодинамиканын биринчи мыйзамы 1830-жылдан кийин иштелип чыккан. Сади Карно 1824-жылы теориялык идеалдуу калориялуу кыймылдаткычты изилдеп жүргөн. Анын изилдөөсү чындыгында буу кыймылдаткычынын натыйжалуулугун жогорулатуу болгон. Ал кездеги буу кыймылдаткычтарынын көпчүлүгү анча натыйжалуу эмес болчу.
Сади Карнонун ой жүгүртүүсүндөгү идеалдуу жылуулук кыймылдаткычындагы цикл Карно цикли деп аталат. Карно циклин үйрөнүүдөн мурун, биз кайтарылгыс процессти кайрадан түшүндүк. Энергиянын өзгөрүшүнүн жана энергиянын берилишинин ар бир процесси кайтарылгыс түрдө жүрөт. Мисалы, биз колдорубузду жылуу болушу үчүн сүртөбүз. Жылуулук биз жасаган иш аркылуу пайда болот. Бул процесс кайтарылгыс. Жылуулук колдорубузду сүртө албайт.
Жылуулук кыймылдаткычынын максаты - бул процесстин бир бөлүгүн тескери бурмалоо, мында жылуулукту мүмкүн болушунча жогорку натыйжалуулук менен жумуш аткаруу үчүн колдонууга болот. Жылуулук кыймылдаткычы максималдуу натыйжалуулукка ээ болушу үчүн, биз бардык кайтарылгыс процесстерден качышыбыз керек. Жылуулуктун алмашуусу табигый түрдө кайтарылгыс, ошондуктан жылуулуктун кыймылы болбошу керек.
Кыймылдаткыч жылуулукту (QH ) жогорку температурада (TH ) алганда , машинадагы жумушчу суюктук да TH температурасында болушу керек . Ошо сыяктуу эле, эгерде кыймылдаткыч QL жылуулукту төмөнкү температурада (TL ) чыгарса, машинадагы жумушчу суюктук да TL температурасында болушу керек . Ошентип, жылуулук алмашууну камтыган ар кандай процесс изотермикалык (бирдей температура) болушу керек. Тескерисинче, эгерде машинадагы жумуш бөлүкчөсүнүн температурасы TH жана TL ортосунда болсо , TH температурасы бар жер (жылуулук берүүчү) менен TL температурасы бар аймактын (разряд) ортосунда жылуулук алмашуу болбойт. Жылуулук жылбай тургандыктан, анда процесс адиабаттык түрдө жүргүзүлүшү керек.
Карно цикли эки кайтарымдуу изотермикалык процесстен жана эки кайтарымдуу адиабаттык процесстен турат.
Капталдагы сүрөт - Идеалдуу газ үчүн поршень Карно цикли. Биринчиден, жылуулук изотермикалык кеңейүү (ab) учурунда сиңирилип алынат. Изотермикалык кеңейүү учурунда цилиндрдеги газдын температурасы туруктуу кармалат.
Андан кийин, газ адиабаттык түрдө кеңейет, ошондуктан температура THден TLге (bc) чейин төмөндөйт . TH = жогорку температура , TL = төмөнкү температура. Адиабаттык кеңейүү учурунда цилиндрге жылуулук кирбейт жана чыкпайт. Андан кийин, газ изотермикалык түрдө престелет (cd). Изотермикалык престелүү учурунда газдын температурасы туруктуу кармалат. Андан кийин газ адиабаттык түрдө престелет (da). Адиабаттык түрдө басылгандыктан, газдын температурасы жогорулайт. Газдын температурасы жогорулайт, ошондуктан газдын басымы да жогорулайт. Карно циклиндеги бүт процесс кайтарымдуу.
Изотермикалык кеңейүү жана изотермикалык пресстөө учурунда газдын температурасы туруктуу кармалат. Максат - температуранын айырмачылыктарынан качуу. Температуранын айырмасынын болушу жылуулуктун өтүшүнө (кайтарылгыс процесс) алып келиши мүмкүн. Изотермикалык процесстин жүрүшү үчүн (газдын температурасы ар дайым туруктуу) газ акырындык менен кеңейиши же пресстелиши керек. Чындыгында кеңейүү же газдын басылышы тезирээк жүрөт. Бул турбуленттүүлүккө (динамикалык суюк материалды эстеңиз), сүрүлүүгө, илешкектикке ж.б. байланыштуу. Натыйжада, идеалдуу изотермикалык процесс эч качан болбойт. Тескерисинче, адиабаттык кеңейүү жана басуу тез жүрөт.
Максат - жылуулуктун цилиндрге же цилиндрден чыгып кетишине жол бербөө. Сүрүлүүнүн, илешкектиктин ж.б. болушу толук адиабаталык кеңейүүнү жана басымды жаратпайт. Карно кыймылдаткычы теориялык гана экенин эске алыңыз. Карно машинасы биздин жашообузда жок. Теориялык гана болгону менен, Карно кыймылдаткычынын болушу термодинамиканын пайдалуу өнүгүшү болуп саналат. Жок дегенде процесстин жүрүшүндө болушу мүмкүн болгон ар кандай кайтарылгыс процесстерди билип, аларды минималдаштырууга аракет кылса болот, ошондо кыймылдаткычтын натыйжалуулугу максималдуу болот.
Карно кыймылдаткычынын маанилүү натыйжасы - идеалдуу кыймылдаткычтын ысыгы, алынган жылуулук (QH ) жогорку температурага ( TH ) пропорционалдуу , ал эми эриген түтүн (QL ) төмөнкү температурага ( TL ) пропорционалдуу . Ошентип, идеалдуу жылуулук кыймылдаткычынын эффективдүүлүгү төмөнкүдөй:
Бул идеалдуу жылуулук кыймылдаткычынын эффективдүүлүгүнүн теңдемеси.
Суроо 1 :
Буу машинасы 500 ° C жана 300 ° C ортосунда иштейт. Буу машинасынын идеалдуу натыйжалуулугун (Карно эффективдүүлүгүн) аныктагыла.
чечим
Температураны Кельвин шкаласына айландыруу керек.
T H (жогорку температура) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
Т L (төмөнкү температура) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
500 °C жана 300 °C ортосунда иштеген идеалдуу жылуулук кыймылдаткычынын натыйжалуулугу 26% түзөт. Күнүмдүк жашообузда колдонгон машиналар 500 °C жана 300 °C ортосунда иштегенде, машиналар жетише алган максималдуу натыйжалуулук идеалдуу натыйжалуулуктун болжол менен 0.7 эсесин (18.2%) түзөт.
Суроо 2 :
Жылуулук кыймылдаткычы 300 °C температурада 600 Дж жылуулук алат, 100 Джоуль жумуш аткарат (Вт) жана 100 °C температурада 500 Дж жылуулук бөлүп чыгарат. Бул машинанын чыныгы эффективдүүлүгүн жана идеалдуу эффективдүүлүгүн (Карно эффективдүүлүгүн) аныктагыла.
Температураны Кельвин шкаласына которуу керек
TH (жогорку температура) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
Т L (төмөнкү температура) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 Дж
Q L = 500 Дж
Кыймылдаткычтын натыйжалуулугу:
Бул машинанын идеалдуу натыйжалуулугу:
300 °C жана 100 °C ортосунда иштеген идеалдуу жылуулук кыймылдаткычынын натыйжалуулугу 35% түзөт. Машина жетише ала турган максималдуу натыйжалуулук, адатта, идеалдуу натыйжалуулуктун 0.7 эсесине барабар = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 Дж = 147 Дж жумуш аткарууга жумшалган жылуулук).
Бул машинанын чыныгы эффективдүүлүгү 17% түзөт (жумуш аткарууга болгону 100 Дж жылуулук сарпталат). Дагы эле болжол менен 147 Дж – 100 Дж = 47 Дж жылуулук жумуш аткарууга жумшалат.
Суроо 3 :
Машина ар бир циклде 1000 Джоуль калория алат жана 400 Джоуль жумуш өндүрөт. Бул машина 500 ° C жана 200 ° C ортосунда иштейт. Бул машинанын чыныгы жана идеалдуу натыйжалуулугун эсептегиле.
чечим
TH (жогорку температура) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
Т L (төмөнкү температура) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 Дж
Q L = 400 Дж
Кыймылдаткычтын натыйжалуулугу:
Бул машинанын идеалдуу натыйжалуулугу:
Карно эффективдүүлүгү = 40%. Кыймылдаткычтын чыныгы эффективдүүлүгү = 60%. Бул машина жок. Машинанын эффективдүүлүгү Карнонун эффективдүүлүгүнөн жогору болушу мүмкүн эмес.
Суроо 4 :
Карно кыймылдаткычынын эффективдүүлүгү 100%га (1) жетүү үчүн, разряд температурасы (T L ) кандай болушу керек?
чечим
Кыймылдаткычтын идеалдуу эффективдүүлүгү 100% га жетиши үчүн (бардык жылуулук жумуш аткарууга жумшалышы мүмкүн), анда төмөнкү температура (T L ) 0 Кельвин болушу керек.
Нөлгө жеткен Кельвин температурасы мүмкүн эмес. Бул билдирүү термодинамиканын үчүнчү мыйзамы болуп саналат.
Анткени ар бир 0 Кельвин r мүмкүн эмес, анда идеалдуу жылуулук кыймылдаткычы 100% эффективдүүлүккө ээ болбошу мүмкүн. Жылуулук кыймылдаткычы 100% эффективдүүлүккө жетише албагандыктан, бардык жылуулукту (QH) жумуш аткаруу үчүн колдонуу мүмкүн эмес деген тыянак чыгарууга болот . Бир аз жылуулук текке кетиши керек (QL ).
Бардык жылуулукту жумушка айландыра турган (цикл менен иштеген) жылуулук кыймылдаткычы болушу мүмкүн эмес (термодинамиканын экинчи мыйзамы, Кельвин-Планктын билдирүүсү).
Бул графикте бир гана этапта жүрүп жаткан изотермикалык процесс (изотермикалык кеңейүү) көрсөтүлгөн. Бул процессте бардык жылуулук (Q) жумушка (W) айландырылышы мүмкүн. Аткарылган жумуштун көлөмү = көлөкөлүү аянт.
Жылуулук кыймылдаткычы үзгүлтүксүз иштеши керек (процесс кайталанып турушу керек, бир гана кадам менен жүрө албайт). Мисалы, өзгөрмөлүү буу кыймылдаткычы. Өзгөрмөлүү буу кыймылдаткычындагы поршень оңго жана солго үзгүлтүксүз кыймылдашы керек, ошондо дөңгөлөктөр айланышы мүмкүн (бир нерсени жылдыруу үчүн колдонулушу мүмкүн). Поршень оңго токтогондо дөңгөлөктөр айлана албайт (процесс бир гана кадам менен жүрөт). Эгерде процесс кайталанып турса, бардык жылуулукту жумушка айландыруу мүмкүн эмес (Кельвин-Планктын билдирүүсү).
Сол жактагы графикте изотермикалык кеңейүү (ылдый караган жебе) жана изотермикалык кысуу (өйдө караган жебе) көрсөтүлгөн. Бул процесс изотермикалык түрдө үзгүлтүксүз жүрөт (жумуш өндүрүлбөйт). Оң жактагы графикте изотермикалык кеңейүү процесси (ылдый караган жебе), изобаралык басуу процесси (сол жактагы жебе) жана изохорикалык процесс (өйдө караган жебе) көрсөтүлгөн. Бул эки графиктен көрүнүп тургандай, үзгүлтүксүз процесс үчүн жылуулук дайыма текке кетет.
