ການວິເຄາະວົງຈອນ Carnot ໃນເຄື່ອງຈັກປ່ຽນພະລັງງານ
Pendahuluan
ໃນໂລກຂອງວິສະວະກຳ, ໂດຍສະເພາະໃນຂົງເຂດເຄື່ອງຈັກ ແລະ ພະລັງງານ, ການສົນທະນາກ່ຽວກັບປະສິດທິພາບການປ່ຽນພະລັງງານແມ່ນຫົວຂໍ້ຫຼັກສະເໝີ. ເຄື່ອງຈັກປ່ຽນພະລັງງານຫຼາກຫຼາຍຊະນິດ - ເຊັ່ນ: ເຄື່ອງຈັກໄອນ້ຳ, ກັງຫັນອາຍແກັສ, ເຄື່ອງຈັກເຜົາໄໝ້ພາຍໃນ, ຈົນເຖິງລະບົບເຮັດຄວາມເຢັນ—ໂດຍພື້ນຖານແລ້ວແມ່ນພະຍາຍາມປ່ຽນພະລັງງານຈາກຮູບແບບໜຶ່ງໄປເປັນອີກຮູບແບບໜຶ່ງໂດຍມີການສູນເສຍໜ້ອຍທີ່ສຸດເທົ່າທີ່ຈະເປັນໄປໄດ້. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ກົດໝາຍຂອງເທີໂມໄດນາມິກ ກຳນົດຂໍ້ຈຳກັດພື້ນຖານກ່ຽວກັບປະສິດທິພາບທີ່ສາມາດບັນລຸໄດ້. ໃນບັນດາສິ່ງຕ່າງໆ ແນວຄວາມຄິດດ້ານເທີໂມໄດນາມິກວົງຈອນ Carnot ຢູ່ໃນຕຳແໜ່ງພິເສດເພາະມັນເປັນຕົວແທນຂອງວົງຈອນທີ່ດີທີ່ສຸດທີ່ສາມາດເຮັດວຽກໄດ້ລະຫວ່າງສອງອ່າງເກັບອຸນຫະພູມ. ການວິເຄາະວົງຈອນ Carnot ບໍ່ພຽງແຕ່ເປັນການປະຕິບັດທາງທິດສະດີເທົ່ານັ້ນ, ແຕ່ຍັງເປັນເອກະສານອ້າງອີງສຳລັບການປະເມີນປະສິດທິພາບຂອງລະບົບ. ວົງຈອນທີ່ແທ້ຈິງ ແລະ ເຂົ້າໃຈວ່າເປັນຫຍັງບໍ່ມີເຄື່ອງຈັກ ເຊິ່ງສາມາດເກີນປະສິດທິພາບທີ່ແນ່ນອນ.
ແນວຄວາມຄິດພື້ນຖານ ວົງຈອນ Carnot
ວົງຈອນ Carnot ເປັນວົງຈອນທາງເທີໂມໄດນາມິກທີ່ເໝາະສົມທີ່ເຮັດວຽກແບບປີ້ນກັບກັນລະຫວ່າງສອງແຫຼ່ງຄວາມຮ້ອນຄື: ອ່າງເກັບນ້ຳຮ້ອນທີ່ມີອຸນຫະພູມສູງ (Th) ແລະ ອ່າງເກັບນ້ຳເຢັນທີ່ມີອຸນຫະພູມຕ່ຳ (Tc). ມັນຖືກກ່າວວ່າສາມາດປີ້ນກັບກັນໄດ້ເພາະວ່າແຕ່ລະຂະບວນການໃນມັນເກີດຂຶ້ນໂດຍບໍ່ມີການສຽດທານ, ບໍ່ມີຄວາມແຕກຕ່າງຂອງອຸນຫະພູມທີ່ຈຳກັດ, ແລະ ບໍ່ມີການກະຈາຍພະລັງງານ. ໃນທາງປະຕິບັດ, ເງື່ອນໄຂເຫຼົ່ານີ້ເປັນໄປບໍ່ໄດ້ທີ່ຈະບັນລຸໄດ້ຢ່າງສົມບູນແບບ, ແຕ່ຮູບແບບນີ້ມີຄວາມສຳຄັນຫຼາຍສຳລັບການກຳນົດຂີດຈຳກັດປະສິດທິພາບສູງສຸດຂອງເຄື່ອງຈັກຄວາມຮ້ອນ.
ວົງຈອນ Carnot ປະກອບດ້ວຍສີ່ຂະບວນການຕາມລໍາດັບຄື: ສອງຂະບວນການ isothermal ແລະສອງຂະບວນການ adiabatic. ໃນທາງກາຍະພາບ, ວົງຈອນສາມາດຈິນຕະນາການໄດ້ວ່າເກີດຂຶ້ນໃນກະບອກສູບທີ່ມີນໍ້າຢາເຮັດວຽກທີ່ເໝາະສົມ (ເຊັ່ນ: ອາຍແກັສທີ່ເໝາະສົມ ), ເຖິງແມ່ນວ່າຫຼັກການເຫຼົ່ານີ້ໃຊ້ໄດ້ກັບນໍ້າຢາເຮັດວຽກທຸກຮູບແບບ.
ສີ່ຂະບວນການໃນວົງຈອນ Carnot
1. ການຂະຫຍາຍຕົວຂອງຄວາມຮ້ອນແບບໄອໂຊເທີມ (1–2) ທີ່ອຸນຫະພູມ Th
ໃນໄລຍະທຳອິດ, ລະບົບຈະສຳຜັດກັບອ່າງເກັບນ້ຳຮ້ອນທີ່ອຸນຫະພູມ Th. ນ້ຳຢາເຮັດວຽກຈະຜ່ານການຂະຫຍາຍຕົວແບບ isothermal, ຊຶ່ງໝາຍຄວາມວ່າອຸນຫະພູມຂອງມັນຄົງທີ່. ເພື່ອຮັກສາອຸນຫະພູມ, ລະບົບຈະດູດຊຶມຄວາມຮ້ອນ (Qh) ຈາກອ່າງເກັບນ້ຳຮ້ອນ. ໃນລະຫວ່າງການຂະຫຍາຍຕົວ, ກະບອກສູບຈະເຄື່ອນອອກໄປທາງນອກ. ແລະລະບົບກໍ່ເຮັດວຽກຢູ່ໃນ ສິ່ງແວດລ້ອມ. ເນື່ອງຈາກຂະບວນການນີ້ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້, ຄວາມຮ້ອນທີ່ເຂົ້າມາຈຶ່ງຖືກ "ປະມວນຜົນ" ຢ່າງສົມບູນເພື່ອຜະລິດຜົນງານໃນຂະນະທີ່ຮັກສາອຸນຫະພູມໃຫ້ຄົງທີ່.
2. ການຂະຫຍາຍຕົວແບບອາເດຍແບຕິກ (2–3) ຈາກ Th ຫາ Tc
ຫຼັງຈາກການຂະຫຍາຍຕົວຂອງລະບົບຄວາມຮ້ອນແບບໄອໂຊເທີມສຳເລັດແລ້ວ, ລະບົບຈະຖືກແຍກອອກດ້ວຍຄວາມຮ້ອນເພື່ອບໍ່ໃຫ້ມີການຖ່າຍໂອນຄວາມຮ້ອນເກີດຂຶ້ນ. ຂະບວນການນີ້ເອີ້ນວ່າ adiabatic. ນ້ຳຢາເຮັດວຽກຍັງສືບຕໍ່ຂະຫຍາຍຕົວ, ເຮັດວຽກ, ແຕ່ເນື່ອງຈາກບໍ່ມີການເພີ່ມຄວາມຮ້ອນ, ພະລັງງານພາຍໃນຂອງມັນຫຼຸດລົງ, ດັ່ງນັ້ນອຸນຫະພູມຂອງລະບົບຈຶ່ງຫຼຸດລົງຈາກ Th ເປັນ Tc.
3. ການບີບອັດຄວາມຮ້ອນແບບໄອໂຊເທີມ (3–4) ທີ່ອຸນຫະພູມ Tc
ໃນໄລຍະທີສາມ, ລະບົບຈະສຳຜັດກັບອ່າງເກັບນ້ຳເຢັນທີ່ອຸນຫະພູມ Tc. ລະບົບຈະຜ່ານການບີບອັດດ້ວຍຄວາມຮ້ອນແບບໄອໂຊເທີມ, ຮັກສາອຸນຫະພູມໃຫ້ຄົງທີ່. ເພື່ອປ້ອງກັນບໍ່ໃຫ້ອຸນຫະພູມເພີ່ມຂຶ້ນໃນລະຫວ່າງການບີບອັດ, ລະບົບຕ້ອງປ່ອຍຄວາມຮ້ອນ (Qc) ໄປສູ່ອ່າງເກັບນ້ຳເຢັນ. ໃນໄລຍະນີ້, ສິ່ງອ້ອມຂ້າງເຮັດວຽກຢູ່ໃນລະບົບ.
4. ການບີບອັດແບບອາເດຍແບຕິກ (4–1) ຈາກ Tc ຫາ Th
ຂັ້ນຕອນສຸດທ້າຍແມ່ນການບີບອັດແບບອາເດຍແບຕິກ, ບ່ອນທີ່ລະບົບຖືກແຍກອອກດ້ວຍຄວາມຮ້ອນອີກຄັ້ງ. ການບີບອັດຈະເພີ່ມອຸນຫະພູມຂອງນ້ຳທີ່ເຮັດວຽກຈາກ Tc ກັບຄືນໄປຫາ Th ໂດຍບໍ່ມີການແລກປ່ຽນຄວາມຮ້ອນ. ຫຼັງຈາກບັນລຸເງື່ອນໄຂເບື້ອງຕົ້ນ, ວົງຈອນຈະເຮັດຊ້ຳອີກ.
ຂະບວນການທັງສີ່ນີ້ປະກອບເປັນວົງຈອນທີ່ຜະລິດວຽກງານເຄືອຂ່າຍໃນລະຫວ່າງວົງຈອນໜຶ່ງ.
ການສະແດງໃນແຜນວາດ P–V ແລະ T–S
ເພື່ອເຂົ້າໃຈວົງຈອນ Carnot ດ້ວຍສາຍຕາ, ແຜນວາດສອງອັນທີ່ໃຊ້ທົ່ວໄປຄື:
1. ແຜນວາດ P–V (ຄວາມດັນ–ປະລິມານ):
- ຂະບວນການໄອໂຊເທີມປະກົດເປັນເສັ້ນໂຄ້ງໄຮເປີໂບລິກ (ສຳລັບອາຍແກັສທີ່ເໝາະສົມ).
- ຂະບວນການ Adiabatic ແມ່ນ "ຊັນ" ກ່ວາຂະບວນການ isothermal.
- ພື້ນທີ່ທີ່ຢູ່ໃນແຜນວາດ P–V ສະແດງເຖິງວຽກງານສຸດທິທີ່ຜະລິດຕໍ່ຮອບວຽນ.
2. ແຜນວາດ T–S (ອຸນຫະພູມ–ເອນໂທຣປີ):
- ຂະບວນການໄອໂຊເທີມຖືກສະແດງເປັນເສັ້ນອອກຕາມແນວນອນ (ຄ່າຄົງທີ່ T).
- ຂະບວນການ adiabatic ທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້ຖືກສະແດງເປັນເສັ້ນຕັ້ງ (ຄ່າຄົງທີ່ S).
- ໃນແຜນວາດນີ້, ຄວາມຮ້ອນທີ່ດູດຊຶມ ແລະ ປະຕິເສດສາມາດຄິດໄລ່ໄດ້ໂດຍກົງ:
- Qh = Th × ΔS
– Qc = Tc × ΔS
ເນື່ອງຈາກ ΔS ໃນຂະບວນການ isothermal “ເທິງ” ແລະ “ລຸ່ມ” ແມ່ນເທົ່າກັນ (ສາມາດປີ້ນກັບກັນໄດ້), ການວິເຄາະປະສິດທິພາບຈຶ່ງກາຍເປັນສະຫຼາດຫຼາຍ.
ປະສິດທິພາບຂອງວົງຈອນ Carnot
ປະສິດທິພາບຄວາມຮ້ອນຂອງເຄື່ອງຈັກ ຄວາມຮ້ອນຖືກນິຍາມວ່າເປັນອັດຕາສ່ວນຂອງວຽກສຸດທິທີ່ຜະລິດຕໍ່ຄວາມຮ້ອນທີ່ດູດຊຶມຈາກອ່າງເກັບນ້ຳຮ້ອນ:
\[
\eta = \frac{W_{net}}{Q_h} = 1 – \frac{Q_c}{Q_h}
\]
ສຳລັບວົງຈອນ Carnot ທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້, ຄວາມສຳພັນຖືວ່າ:
\[
\frac{Q_c}{Q_h} = \frac{T_c}{T_h}
\]
ດັ່ງນັ້ນປະສິດທິພາບຂອງ Carnot ຈະກາຍເປັນ:
\[
\eta_{Carnot} = 1 – \frac{T_c}{T_h}
\]
ສູດນີ້ມີຄວາມສຳຄັນຫຼາຍເພາະມັນສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າປະສິດທິພາບສູງສຸດແມ່ນຖືກກຳນົດໂດຍອຸນຫະພູມຢ່າງແທ້ຈິງ (ໃນໜ່ວຍເຄລວິນ) ຂອງສອງອ່າງເກັບນ້ຳເທົ່ານັ້ນ, ບໍ່ແມ່ນໂດຍປະເພດຂອງນ້ຳຢາເຮັດວຽກ ຫຼື ລາຍລະອຽດການອອກແບບຂອງເຄື່ອງຈັກ.
ຜົນສະທ້ອນຫຼັກຂອງປະສິດທິພາບຂອງ Carnot
1. ການເພີ່ມ Th ເພີ່ມປະສິດທິພາບ.
ອຸນຫະພູມຂອງແຫຼ່ງຄວາມຮ້ອນສູງເທົ່າໃດ, ວຽກງານທີ່ມີທ່າແຮງທີ່ສາມາດປະຕິບັດໄດ້ກໍ່ຈະສູງຂຶ້ນເທົ່ານັ້ນ.
2. ການຫຼຸດ Tc ເພີ່ມປະສິດທິພາບ.
ອຸນຫະພູມຂອງທໍ່ໄອເສຍຕ່ຳເທົ່າໃດ, ພະລັງງານກໍຈະຖືກກຳຈັດອອກໜ້ອຍລົງເທົ່ານັ້ນ.
3. ປະສິດທິພາບບໍ່ເຄີຍ 100% ຕາບໃດທີ່ Tc > 0 K.
ເພື່ອໃຫ້ບັນລຸປະສິດທິພາບ 100%, ຕ້ອງມີ Tc = 0 K, ເຊິ່ງເປັນໄປບໍ່ໄດ້ທາງດ້ານຮ່າງກາຍທີ່ຈະບັນລຸໄດ້.
ວົງຈອນ Carnot ເປັນຂີດຈຳກັດທີ່ເໝາະສົມຂອງເຄື່ອງຈັກທີ່ແທ້ຈິງ
ເຄື່ອງຈັກທີ່ແທ້ຈິງມີຄຸນສົມບັດທີ່ບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ສະເໝີ: ແຮງສຽດທານທາງກົນຈັກ, ການສູນເສຍຄວາມດັນ, ການຖ່າຍໂອນຄວາມຮ້ອນຜ່ານຄວາມແຕກຕ່າງຂອງອຸນຫະພູມທີ່ຈຳກັດ, ແລະຂະບວນການເຜົາໄໝ້ທີ່ບໍ່ເໝາະສົມ. ປັດໄຈທັງໝົດເຫຼົ່ານີ້ເພີ່ມ entropy ທັງໝົດ ແລະ ເຮັດໃຫ້ປະສິດທິພາບຕ່ຳກວ່າຂີດຈຳກັດ Carnot.
ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ວົງຈອນ Carnot ແມ່ນເປັນປະໂຫຍດເປັນມາດຕະຖານ. ວິສະວະກອນສາມາດຄິດໄລ່ປະສິດທິພາບ Carnot ສຳລັບເງື່ອນໄຂການດຳເນີນງານທີ່ກຳນົດໃຫ້ ແລະ ຫຼັງຈາກນັ້ນປຽບທຽບມັນກັບປະສິດທິພາບຕົວຈິງເພື່ອກຳນົດວ່າລະບົບຢູ່ໄກຈາກມາດຕະຖານເທົ່າໃດ. ຕົວຢ່າງ, ໂຮງງານໄຟຟ້າທີ່ໃຊ້ພະລັງງານໄອນ້ຳ ທີ່ທັນສະໄໝ ອາດມີປະສິດທິພາບປະມານ 35–45%, ໃນຂະນະທີ່ປະສິດທິພາບ Carnot ຢູ່ທີ່ອຸນຫະພູມໝໍ້ຕົ້ມ ແລະ ເຄື່ອງຄວບແໜ້ນທີ່ກຳນົດໃຫ້ອາດຈະສູງກວ່າ. ຄວາມແຕກຕ່າງນີ້ຊີ້ບອກເຖິງຊ່ອງຫວ່າງສຳລັບການປັບປຸງ - ເຖິງແມ່ນວ່າບໍ່ແມ່ນຊ່ອງຫວ່າງທັງໝົດສາມາດປິດໄດ້ເນື່ອງຈາກຂໍ້ຈຳກັດດ້ານວັດສະດຸ, ຄວາມປອດໄພ ແລະ ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍ.
ຄວາມກ່ຽວຂ້ອງໃນເຄື່ອງຈັກປ່ຽນພະລັງງານທີ່ທັນສະໄໝ
ແນວຄວາມຄິດຂອງ Carnot ແມ່ນພື້ນຖານສຳລັບການພັດທະນາ ແລະ ການປະເມີນຜົນຂອງເຕັກໂນໂລຢີຕ່າງໆ, ລວມທັງ:
1. ໂຮງງານໄຟຟ້າຄວາມຮ້ອນ:
ອຸນຫະພູມປະຕິບັດການຂອງກັງຫັນສູງເທົ່າໃດ (ຕົວຢ່າງໃນກັງຫັນອາຍແກັສທີ່ມີວັດສະດຸທົນຄວາມຮ້ອນ), ໂດຍທົ່ວໄປແລ້ວປະສິດທິພາບຈະເພີ່ມຂຶ້ນຍ້ອນວ່າມັນເຂົ້າໃກ້ຂີດຈຳກັດ Carnot.
2. ລະບົບເຮັດຄວາມເຢັນ ແລະ ປໍ້າຄວາມຮ້ອນ:
Carnot ຍັງໃຊ້ກັບວົງຈອນ Carnot ແບບປີ້ນກັບກັນ, ເຊິ່ງສະໜອງຂີດຈຳກັດສູງສຸດຂອງສຳປະສິດປະສິດທິພາບ (COP) ສຳລັບຕູ້ເຢັນ ແລະ ປໍ້າຄວາມຮ້ອນ.
3. ວິສະວະກຳລະບົບພະລັງງານແບບຍືນຍົງ:
ໃນໂຮງງານໄຟຟ້າພະລັງງານຄວາມຮ້ອນໃຕ້ດິນ, ໂຮງງານຊີວະມວນ, ຫຼື ການກູ້ຄືນຄວາມຮ້ອນເສດເຫຼືອອຸດສາຫະກໍາ, ຄວາມແຕກຕ່າງຂອງອຸນຫະພູມເລັກນ້ອຍ (ບໍ່ສູງເກີນໄປ Th) ເຮັດໃຫ້ປະສິດທິພາບຂອງ Carnot ຕໍ່າ. ນີ້ອະທິບາຍວ່າເປັນຫຍັງລະບົບການກູ້ຄືນຄວາມຮ້ອນອຸນຫະພູມຕໍ່າມັກຈະເໝາະສົມກວ່າສໍາລັບການໃຫ້ຄວາມຮ້ອນໂດຍກົງກ່ວາການປ່ຽນເປັນໄຟຟ້າ.
ສະຫຼຸບ
ວົງຈອນ Carnot ເປັນຮູບແບບອຸດົມຄະຕິທີ່ສະແດງໃຫ້ເຫັນເຖິງຂີດຈຳກັດປະສິດທິພາບສູງສຸດຂອງເຄື່ອງຈັກຄວາມຮ້ອນທີ່ເຮັດວຽກລະຫວ່າງສອງອ່າງເກັບນ້ຳອຸນຫະພູມ. ດ້ວຍຂະບວນການທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້ສີ່ຢ່າງຄື: ສອງຂະບວນການ isothermal ແລະສອງຂະບວນການ adiabatic - ວົງຈອນດັ່ງກ່າວໃຫ້ຜົນຂອງການສະແດງອອກປະສິດທິພາບທີ່ງ່າຍດາຍແຕ່ມີປະສິດທິພາບ: \(\eta_{Carnot} = 1 – \frac{T_c}{T_h}\). ການວິເຄາະນີ້ຢືນຢັນວ່າປະສິດທິພາບແມ່ນຂຶ້ນກັບອຸນຫະພູມຢ່າງແທ້ຈິງເທົ່ານັ້ນ, ແລະບໍ່ມີເຄື່ອງຈັກທີ່ແທ້ຈິງສາມາດເກີນຂີດຈຳກັດນີ້ໄດ້ເນື່ອງຈາກຄວາມບໍ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້. ເຖິງແມ່ນວ່າ Carnot ຈະບໍ່ສາມາດຮັບຮູ້ໄດ້ຢ່າງສົມບູນແບບ, ແຕ່ແນວຄວາມຄິດຂອງລາວແມ່ນພື້ນຖານທີ່ສຳຄັນສຳລັບການອອກແບບ, ການປະເມີນຜົນ, ແລະນະວັດຕະກຳຂອງເຄື່ອງຈັກປ່ຽນພະລັງງານທີ່ທັນສະໄໝ, ແລະຊ່ວຍໃຫ້ວິສະວະກອນເຂົ້າໃຈ ຍຸດທະສາດຫຼັກສຳລັບການເພີ່ມປະສິດທິພາບ: ເພີ່ມອຸນຫະພູມແຫຼ່ງຄວາມຮ້ອນ ແລະ ຫຼຸດອຸນຫະພູມໄອເສຍພາຍໃນຂອບເຂດວັດສະດຸ ແລະ ເສດຖະກິດທີ່ເປັນໄປໄດ້.
