Карно кыймылдаткычынын цикли жөнүндө макала
Жылуулук кыймылдаткычынын натыйжалуулугун кантип жогорулатууну билүү үчүн, француз окумуштуусу Сади Карно (1796-1832) 1824-жылы идеалдуу жылуулук кыймылдаткычын теориялык жактан изилдеген. Ал кезде термодинамиканын биринчи мыйзамы да, термодинамиканын экинчи мыйзамы да иштелип чыга элек болчу. Биринчи мыйзам иштелип чыга элек болчу, анткени окумуштуулар жылуулук энергия экенин али билишкен эмес. 1830-жылдары Джоуль жана анын достору эксперимент жүргүзгөндөн кийин, окумуштуулар жылуулук температуранын айырмачылыктарынан улам берилүүчү энергия экенин так билишкен. Ошентип, термодинамиканын биринчи мыйзамы 1830-жылдан кийин иштелип чыккан. Сади Карно идеалдуу жылуулук кыймылдаткычын 1824-жылы теориялык жактан изилдеген. Ал жүргүзгөн изилдөө чындыгында ошол учурда колдонулуп жаткан буу кыймылдаткычтарынын натыйжалуулугун жогорулатуу болгон. Ал кездеги буу кыймылдаткычтарынын көпчүлүгү анча натыйжалуу эмес болчу.
Сади Карно тарабынан иштелип чыккан идеалдуу жылуулук кыймылдаткычындагы цикл Карно цикли деп аталат. Карно циклин карап чыгуудан мурун, кайтарылгыс процесстерди түшүнүү пайдалуу. Энергиянын трансформациясынын жана өткөрүлүшүнүн ар бир табигый процесси, адатта, кайтарылгыс. Мисалы, эгерде биз колубузду бири-бирине сүртсөк, алар жылуу сезилет. Бул учурда, жылуулук биз аткарган иш аркылуу пайда болот. Процесс кайтарылгыс. Өндүрүлгөн жылуулук колубузду бири-бирине сүртүү менен өз алдынча жумуш аткара албайт. Жылуулук кыймылдаткычынын максаты - бул процессти жарым-жартылай тескери бурмалоо, мында жылуулукту мүмкүн болушунча эң жогорку натыйжалуулук менен жумуш аткаруу үчүн колдонсо болот. Жылуулук кыймылдаткычы максималдуу натыйжалуулукка жетиши үчүн, биз бардык кайтарылгыс процесстерден качышыбыз керек. Табигый жол менен пайда болгон жылуулук алмашуу, адатта, кайтарылгыс, ошондуктан жылуулук алмашуунун алдын алуу үчүн аракеттер көрүлөт.
Кыймылдаткыч Q ысыгандаH жогорку температурадагы жерлерде (TH), машинадагы жумушчу зат да Т температурасында болушу керекHОшо сыяктуу эле, эгер кыймылдаткыч Q жылуулукту алып салсаL температурасы төмөн жерлерде (TL), машинадагы жумушчу зат да Т температурасында болушу керекLДемек, жылуулук алмашууну камтыган ар бир процесс изотермикалык (бирдей температура) болушу керек. Тескерисинче, эгер кыймылдаткычтагы жумушчу заттын температурасы Т ортосунда болсоH жана ТL, машина менен температурасы Т болгон жердин ортосунда жылуулук алмашуу болбошу керекH (жылуулук менен камсыздоочу) жана температурасы Т болгон жерL (жок кылуу). Жылуулук чыгып кетпеши үчүн, процесс адиабаттык түрдө жүргүзүлүшү керек.
Карно цикли чындыгында эки кайтарымдуу изотермикалык процесстен жана эки кайтарымдуу адиабаттык процесстен турат.
Оң жактагы сүрөттө идеалдуу газ үчүн Карно цикли көрсөтүлгөн. Башында жылуулук изотермикалык кеңейүү учурунда (а-б) сиңирилип алынат. Изотермикалык кеңейүү учурунда цилиндрдеги газдын температурасы туруктуу кармалат.
Андан кийин, газ адиабаттык түрдө кеңейет, ошондуктан анын температурасы T H дан T L га чейин төмөндөйт (b-c). T H = жогорку температура (Жогорку температура), T L = төмөнкү температура (Төмөнкү температура). Адиабаттык кеңейүү учурунда цилиндрге жылуулук кирбейт жана чыкпайт. Андан кийин, газ изотермикалык түрдө кысылат (c-d). Изотермикалык кысуу учурунда газдын температурасы туруктуу сакталат. Андан кийин, газ адиабаттык түрдө кысылат (d-a). Адиабаттык түрдө кысылгандыктан, газдын температурасы жогорулайт. Газдын температурасы жогорулайт, ошондуктан газдын басымы да жогорулайт. Карно циклиндеги бардык процесстер кайтарымдуу.
Изотермикалык кеңейүү жана кысуу учурунда газдын температурасы туруктуу кармалат. Максат - температуранын айырмачылыктарынан качуу. Температуранын айырмачылыктары жылуулуктун өтүшүнө алып келиши мүмкүн (кайтарылгыс процесс). Изотермикалык процесстин жүрүшү үчүн (газдын температурасын туруктуу кармоо), газ жай кеңейиши же кысылышы керек. Чындыгында, газдын кеңейиши же кысылышы тезирээк жүрөт. Бул турбуленттүүлүккө (суюктук динамикасы темасын эстей жүрүңүз), сүрүлүүгө, илешкектикке ж.б. байланыштуу. Натыйжада, идеалдуу изотермикалык процесс эч качан болбойт. Анын ордуна, адиабаттык кеңейүү жана кысуу тездик менен жүрөт.
Максат - жылуулуктун цилиндрге агып киришине же андан чыгып кетишине жол бербөө. Сүрүлүү, илешкектик жана башка факторлор кемчиликсиз адиабаттык кеңейүүгө жана кысылууга жол бербейт. Карно кыймылдаткычы таза теориялык экенин белгилей кетүү маанилүү; ал биздин күнүмдүк жашообузда жок. Теориялык болгону менен, Карно кыймылдаткычы термодинамиканын өнүгүшүнө олуттуу салым кошот. Жок дегенде, биз процесстин жүрүшүндө болушу мүмкүн болгон ар кандай кайтарылгыс процесстерди аныктап, аларды минималдаштырууга аракет кыла алабыз, ошону менен биз долбоорлонгон жылуулук кыймылдаткычынын натыйжалуулугун максималдуу түрдө жогорулатабыз.
Карно кыймылдаткычынын абдан маанилүү жыйынтыгы, идеалдуу жылуулук кыймылдаткычы үчүн алынган жылуулук (QH ) TH температурасына пропорционалдуу , ал эми бөлүп чыгарылган жылуулук (QL ) TL температурасына пропорционалдуу . Ошентип, идеалдуу жылуулук кыймылдаткычынын натыйжалуулугу төмөнкүдөй:
1-мисал суроо:
Буу машинасы 500 ° C жана 300 ° C ортосунда иштейт. Буу машинасынын идеалдуу натыйжалуулугун (Карно эффективдүүлүгүн) аныктагыла.
Талкуу
Температураны Кельвин шкаласына которуу 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 температурада иштеген идеалдуу жылуулук кыймылдаткычынын идеалдуу натыйжалуулугу же эффективдүүлүгү 26% түзөт. Эгерде биз күнүмдүк турмушта колдонгон кыймылдаткыч 500 ° C жана 300 ° C температурада иштесе, кыймылдаткыч жетише алган максималдуу эффективдүүлүк, адатта, идеалдуу эффективдүүлүктүн 0,7 эсесине (18,2%) барабар болот.
2-мисал суроо:
Жылуулук кыймылдаткычы 300 ° C температурада 600 Джоул жылуулукту (Q) алат , 100 Джоул жумушту (W) аткарат жана 100 ° C температурада 500 Дж бөлүп чыгарат. Бул кыймылдаткычтын чыныгы эффективдүүлүгүн жана идеалдуу эффективдүүлүгүн (Карно эффективдүүлүгүн) аныктагыла...
Талкуу
Температураны Кельвин шкаласына которуу керек.
T H (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:
300 ° C жана 100 ° C ортосунда иштеген идеалдуу жылуулук кыймылдаткычынын идеалдуу натыйжалуулугу же эффективдүүлүгү 35% түзөт. Кыймылдаткыч жетише ала турган максималдуу эффективдүүлүк, адатта, идеалдуу эффективдүүлүктүн 0,7 эсесине барабар = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 Дж = жумуш аткаруу үчүн колдонула турган 147 Дж жылуулук).
Бул кыймылдаткычтын иш жүзүндөгү эффективдүүлүгү 17% түзөт (жумуш аткарууга болгону 100 Дж жылуулук колдонулат). Жумуш аткарууга колдонула турган дагы эле болжол менен 147 Дж – 100 Дж = 47 Дж жылуулук бар. Эгерде бул кыймылдаткычтын эффективдүүлүгүн жогорулатуу менен жоготууларды азайтууга мүмкүн болсо, жакшы болмок.
3-мисал суроо:
Машина ар бир циклде 1000 Джоул жылуулук алат жана 400 Джоул жумуш өндүрөт. Бул машина 500 ° C жана 200 ° C ортосунда иштейт. Бул машинанын чыныгы натыйжалуулугу жана идеалдуу натыйжалуулугу кандай?
Талкуу
T H (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:
Идеалдуу натыйжалуулук, ошондой эле Карно натыйжалуулугу деп да аталат, 40% түзөт. Кыймылдаткычтын чыныгы натыйжалуулугу 60% түзөт. Мындай кыймылдаткыч жок. Кыймылдаткычтын натыйжалуулугу Карно натыйжалуулугунан ашып кетиши мүмкүн эмес.
4-мисал суроо:
Карно кыймылдаткычынын эффективдүүлүгү 100% га (1) жетүү үчүн, чыгуучу газдын температурасы (ТТ ) кандай болушу керек?
Талкуу
Идеалдуу жылуулук кыймылдаткычынын эффективдүүлүгү 100% га жетиши үчүн (киргизилген бардык жылуулук жумуш аткарууга колдонулушу мүмкүн), чыгуучу газдын температурасы (TL ) = 0 Кельвин болушу керек.
0 Кельвин температурасына жетүү мүмкүн эмес. Бул билдирүү термодинамиканын үчүнчү мыйзамы болуп саналат.
Анткени нөл Кельвинге жетүү мүмкүн эмес, ошондуктан идеалдуу жылуулук кыймылдаткычы 100% эффективдүүлүккө ээ боло албайт. Күнүмдүк жашоодо колдонгон жылуулук кыймылдаткычтарын айтпай эле коелу, идеалдуу жылуулук кыймылдаткычы да 100% эффективдүүлүккө ээ боло албайт.
Жылуулук кыймылдаткычы менен 100% натыйжалуулукка жетишүү мүмкүн болбогондуктан, бардык кирген жылуулукту (QH) жумуш аткарууга колдонуу мүмкүн эмес деген тыянак чыгарсак болот . Бир аз жылуулук жоголушу керек (QL ).
Жылуулук кыймылдаткычынын (цикл менен иштеген) бардык жылуулукту жумушка айландыруу мүмкүн эмес (Термодинамиканын экинчи мыйзамы - Кельвин-Планктын билдирүүсү).
Жогорудагы калың курсив менен белгиленген текст термодинамиканын экинчи мыйзамынын атайын билдирүүсү болуп саналат. Ал атайын билдирүү деп аталат, анткени ал жылуулук кыймылдаткычтарына гана тиешелүү. Аны Кельвин менен Планк түзгөндүктөн, ал Кельвин-Планк билдирүүсү деп да аталат. Жогорудагы билдирүүдө "цикл" сөзүнүн бар экенине көңүл буруңуз. Цикл - бул бир нече жолу кайталануучу процесс. Демек, жылуулук кыймылдаткычы үзгүлтүксүз иштейт. "Цикл" деген сөз кошулган, анткени чындыгында, эгерде процесс бир гана жолу жүрсө, бардык жылуулук жумушка айландырылышы мүмкүн.
Термодинамиканын биринчи мыйзамында изотермикалык, изобаралык, изохоралык жана адиабаттык процесстерди камтыган бир нече термодинамикалык процесстер түшүндүрүлгөн. Изотермикалык процессте бардык жылуулук жумушка айландырылышы мүмкүн (Q = W). Бул процесс бир гана этапта жүрсө болушу мүмкүн. Төмөндөгү сүрөткө көңүл буруңуз:
Бул графикте бир кадам менен жүрүүчү изотермикалык процесс (изотермикалык кеңейүү) көрсөтүлгөн. Бул процессте бардык жылуулук (Q) жумушка (W) айланат. Аткарылган жумуштун көлөмү = көлөкөлөнгөн аянт.
Жылуулук кыймылдаткычы пайдалуу болушу үчүн үзгүлтүксүз иштеши керек (процесс бир гана этапта эмес, кайталап жүрүшү керек). Мисалы, поршеньдүү буу кыймылдаткычы. Поршеньдүү буу кыймылдаткычындагы поршень дөңгөлөк айланышы үчүн оңго жана солго үзгүлтүксүз кыймылдашы керек (бир нерсени жылдыруу үчүн колдонулушу мүмкүн). Эгерде поршень оңго гана жылса, дөңгөлөк айлана албайт, андан кийин ал токтойт (процесс бир гана этапта жүрөт). Эгерде процесс кайталап жүрсө (поршень оңго жана солго үзгүлтүксүз кыймылдаса), анда бардык жылуулукту жумушка айландыруу мүмкүн эмес (Кельвин-Планктын билдирүүсү). Мисалы, жогорудагы графикте көрсөтүлгөн изотермикалык процессти карап көрөлү.
Сол жактагы графикте изотермикалык кеңейүү (ылдый караган жебе) жана изотермикалык кысуу (өйдө караган жебе) көрсөтүлгөн. Бул процесс изотермикалык түрдө үзгүлтүксүз жүрөт (эч кандай жумуш аткарылбайт). Оң жактагы графикте изотермикалык кеңейүү (ылдый караган жебе), изобаралык кысуу (сол жактагы жебе) жана изохоралык процесс (өйдө караган жебе) көрсөтүлгөн. Бул эки графиктен көрүнүп тургандай, үзгүлтүксүз жүрүүчү процесстер үчүн (цикл) жылуулук жоготуу дайыма болот. Бул мурунку Кельвин-Планк билдирүүсүнө дал келет.
