Straipsnis apie Carnot variklio ciklą
Norėdamas išsiaiškinti, kaip padidinti šiluminio variklio efektyvumą, prancūzų mokslininkas Sadi Carnot (1796–1832) 1824 m. teoriškai ištyrė idealų šiluminį variklį. Tuo metu nebuvo suformuluoti nei pirmasis, nei antrasis termodinamikos dėsnis. Pirmasis dėsnis nebuvo suformuluotas, nes mokslininkai dar nežinojo, kad šiluma yra energija. Po to, kai Joule'as ir jo draugai 1830-aisiais atliko eksperimentus, mokslininkai tiksliai žinojo tik tai, kad šiluma yra energija, kuri perduodama dėl temperatūrų skirtumų. Taigi pirmasis termodinamikos dėsnis buvo suformuluotas po 1830 m. Sadi Carnot 1824 m. teoriškai ištyrė idealų šiluminį variklį. Jo atlikti tyrimai iš tikrųjų buvo skirti tuo metu naudotų garo variklių efektyvumui padidinti. Dauguma tuo metu naudotų garo variklių buvo mažiau efektyvūs.
Idealaus šiluminio variklio ciklas, kurį sukūrė Sadi Carnot, vadinamas Karno ciklu. Prieš apžvelgiant Karno ciklą, naudinga suprasti negrįžtamus procesus. Kiekvienas natūraliai vykstantis energijos virsmo ir perdavimo procesas paprastai yra negrįžtamas. Pavyzdžiui, jei patriname rankas, jos šilsta. Šiuo atveju šiluma išsiskiria dėl mūsų atliekamo darbo. Šis procesas yra negrįžtamas. Trinant rankas, išsiskyrusi šiluma pati savaime negali atlikti darbo. Šiluminio variklio tikslas – iš dalies pakeisti šį procesą, kad šiluma galėtų būti panaudota darbui atlikti kuo efektyviau. Kad šiluminis variklis pasiektų maksimalų efektyvumą, turime vengti visų negrįžtamų procesų. Natūraliai vykstantis šilumos perdavimas paprastai yra negrįžtamas, todėl dedamos pastangos užkirsti kelią šilumos perdavimui.
Kai variklis įkaista QH vietose, kuriose yra aukšta temperatūra (TH), darbinė medžiaga mašinoje taip pat turi būti T temperatūrosHTaip pat, jei variklis pašalina šilumą QL vietose, kuriose žema temperatūra (TL), darbinė medžiaga mašinoje taip pat turi būti T temperatūrosLTaigi kiekvienas procesas, kuriame vyksta šilumos perdavimas, turi būti izoterminis (ta pati temperatūra). Ir atvirkščiai, jei darbinės medžiagos temperatūra variklyje yra tarp TH ir TL, tarp mašinos ir vietos, kurios temperatūra yra T, neturi būti šilumos perdavimoH (šilumos tiekėjas) ir vieta, kurios temperatūra yra TL (šalinimas). Kad šiluma neišeitų, procesas turi būti vykdomas adiabatiškai.
Karno ciklas iš tikrųjų susideda iš dviejų grįžtamųjų izoterminių procesų ir dviejų grįžtamųjų adiabatinių procesų.
Dešinėje esančiame paveikslėlyje parodytas idealiųjų dujų Karno ciklas. Iš pradžių izoterminio plėtimosi metu (a-b) sugeriama šiluma. Izoterminio plėtimosi metu dujų temperatūra cilindre palaikoma pastovi.
Toliau dujos plečiasi adiabatiškai, todėl jų temperatūra nukrenta nuo T H iki T L (b-c). T H = aukšta temperatūra (aukšta temperatūra), T L = žema temperatūra (žema temperatūra). Adiabatinio plėtimosi metu į cilindrą nepatenka ir iš jo neišeina šiluma. Po to dujos izotermiškai suspaudžiamos (c-d). Izoterminio suspaudimo metu dujų temperatūra palaikoma pastovi. Toliau dujos suspaudžiamos adiabatiškai (d-a). Kadangi jos suspaudžiamos adiabatiškai, dujų temperatūra didėja. Dujų temperatūra didėja, todėl padidėja ir dujų slėgis. Visi Karno ciklo procesai yra grįžtami.
Izoterminio plėtimosi ir suspaudimo metu dujų temperatūra palaikoma pastovi. Tikslas – išvengti temperatūrų skirtumų. Temperatūrų skirtumai gali sukelti šilumos perdavimą (negrįžtamą procesą). Kad vyktų izoterminis procesas (išlaikant pastovią dujų temperatūrą), dujos turi būti lėtai plečiamos arba suspaudžiamos. Iš tikrųjų dujų plėtimasis arba suspaudimas vyksta greičiau. Taip yra dėl turbulencijos (prisiminkite skysčių dinamikos temą), trinties, klampumo ir kt. Dėl to tobulas izoterminis procesas niekada neegzistuoja. Vietoj to, adiabatinis plėtimasis ir suspaudimas vyksta greitai.
Tikslas – neleisti šilumai tekėti į cilindrą arba iš jo. Trintis, klampumas ir kiti veiksniai trukdo tobulam adiabatiniam plėtimuisi ir suspaudimui. Svarbu pažymėti, kad Karno variklis yra grynai teorinis; jis neegzistuoja mūsų kasdieniame gyvenime. Nors teorinis, Karno variklis reikšmingai prisideda prie termodinamikos vystymosi. Bent jau galime nustatyti bet kokius negrįžtamus procesus, kurie gali vykti proceso metu, ir bandyti juos sumažinti, taip maksimaliai padidindami mūsų suprojektuoto šiluminio variklio efektyvumą.
Labai svarbus Karno variklio rezultatas yra tas, kad idealaus šiluminio variklio gauta šiluma (QH ) yra proporcinga temperatūrai TH , o atstumiama šiluma (QL ) yra proporcinga temperatūrai TL . Taigi idealaus šiluminio variklio efektyvumas yra:
1 klausimo pavyzdys:
Garo variklis veikia 500–300 °C temperatūroje . Nustatykite idealų garo variklio našumą (Karno našumą).
Pembahasanas
Temperatūra turi būti perskaičiuota į Kelvino skalę.
Aukšta temperatūra ( H ) = 500 ° C = 500 + 273 = 773 K
T L (žema temperatūra) = 300 ° C = 300 + 273 = 573 K
Idealus šiluminio variklio, veikiančio 500–300 °C temperatūroje, efektyvumas arba našumas yra 26 % . Jei kasdieniame gyvenime naudojamas variklis veikia 500–300 °C temperatūroje , maksimalus variklio pasiektas efektyvumas paprastai yra maždaug 0,7 karto didesnis už idealų efektyvumą (18,2 %).
2 klausimo pavyzdys:
Šiluminis variklis, esant 300 ° C temperatūrai, gauna 600 džaulių šilumos (Q) , atlieka 100 džaulių darbo (W) ir atiduoda 500 J esant 100 ° C temperatūrai. Nustatykite šio variklio faktinį ir idealų našumą (Karno našumą)...
Pembahasanas
Temperatūra turi būti perskaičiuota į Kelvino skalę.
Aukšta temperatūra (aukšta) = 300 ° C 300 + 273 = 573 K
T L (žema temperatūra) = 100 ° C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Variklio efektyvumas:
Idealus šiluminio variklio, veikiančio 300–100 °C temperatūroje, našumas yra 35 % . Maksimalus variklio pasiekiamas našumas paprastai yra maždaug 0,7 karto didesnis už idealų našumą = 0,7 x 35 % = 24,5 % (24,5 % x 600 J = 147 J šilumos, kurią galima panaudoti darbui atlikti).
Tikrasis šio variklio našumas yra 17 % (darbui atlikti sunaudojama tik 100 J šilumos). Vis dar lieka apie 147 J – 100 J = 47 J šilumos, kurią galima sunaudoti darbui atlikti. Būtų gerai, jei būtų galima padidinti šio variklio našumą, kad būtų sumažinti mūsų patiriami nuostoliai.
3 klausimo pavyzdys:
Kiekvieno ciklo metu mašina gauna 1000 džaulių šilumos ir atlieka 400 džaulių darbo. Ši mašina veikia 500–200 °C temperatūroje. Koks yra tikrasis ir idealusis šios mašinos efektyvumas?
Pembahasanas
Aukšta temperatūra ( H ) = 500 ° C, 500 + 273 = 773 K
T L (žema temperatūra) = 200 ° C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Variklio efektyvumas:
Idealus šios mašinos našumas yra:
Idealus efektyvumas, dar žinomas kaip Karno efektyvumas, yra 40 %. Tikrasis variklio efektyvumas yra 60 %. Toks variklis neegzistuoja. Variklio efektyvumas negali viršyti Karno efektyvumo.
4 klausimo pavyzdys:
Kad Carnot variklio našumas pasiektų 100 % (1), kokia yra reikalinga išmetamųjų dujų temperatūra (TL )?
Pembahasanas
Kad idealaus šiluminio variklio našumas pasiektų 100 % (visa įvesta šiluma galėtų būti panaudota darbui atlikti), išmetamųjų dujų temperatūra (TL ) turi būti = 0 kelvinų.
Pasiekti 0 Kelvino temperatūrą neįmanoma. Šis teiginys yra trečiasis termodinamikos dėsnis.
Kadangi 0 Kelvino laipsnių pasiekti neįmanoma, tobulas šiluminis variklis negali turėti 100 % efektyvumo. Net ir tobulas šiluminis variklis negali turėti 100 % efektyvumo, jau nekalbant apie šiluminius variklius, kuriuos naudojame kasdieniame gyvenime.
Kadangi šiluminis variklis negali pasiekti 100 % efektyvumo, galime daryti išvadą, kad neįmanoma panaudoti visos įeinančios šilumos (Q H ) darbui atlikti. Turi būti prarandama dalis šilumos (Q L ).
Šilumos varikliui (veikiančiam cikle) neįmanoma visos šilumos paversti darbu (antrasis termodinamikos dėsnis – Kelvino-Planko teiginys).
Aukščiau pateiktas paryškintas kursyvu pažymėtas tekstas yra specialus antrojo termodinamikos dėsnio teiginys. Jis vadinamas specialiuoju teiginiu, nes taikomas tik šiluminiams varikliams. Kadangi jį suformulavo Kelvinas ir Planckas, jis dar vadinamas Kelvino-Plancko teiginiu. Atkreipkite dėmesį į žodį „ciklas“ aukščiau pateiktame teiginyje. Ciklas yra procesas, kuris kartojasi. Taigi, šiluminis variklis veikia nuolat. Žodis „ciklas“ pridėtas todėl, kad iš tikrųjų visa šiluma gali būti paversta darbu, jei procesas vyksta tik vieną kartą.
Pirmajame termodinamikos dėsnyje buvo paaiškinti keli termodinaminiai procesai, įskaitant izoterminį, izobarinį, izochorinį ir adiabatinį procesus. Izoterminiame procese visa šiluma gali būti paversta darbu (Q = W). Tai gali įvykti, jei procesas vyksta tik vienu etapu. Atkreipkite dėmesį į paveikslėlį žemiau:
Šiame grafike pavaizduotas izoterminis procesas (izoterminis plėtimasis), kuris vyksta vienu žingsniu. Šio proceso metu visa šiluma (Q) paverčiama darbu (W). Atlikto darbo kiekis = užtamsinta sritis.
Kad šiluminis variklis būtų naudingas, jis turi veikti nuolat (procesas turi vykti pakartotinai, o ne tik vienu etapu). Pavyzdžiui, stūmoklinis garo variklis. Stūmoklinio garo variklio stūmoklis turi nuolat judėti į dešinę ir į kairę, kad ratas galėtų suktis (galima naudoti kam nors pajudinti). Ratas negali suktis, jei stūmoklis juda tik į dešinę, po to sustoja (procesas vyksta tik vienu etapu). Jei procesas vyksta pakartotinai (stūmoklis nuolat juda į dešinę ir į kairę), neįmanoma, kad visa šiluma būtų paversta darbu (Kelvino-Planko teiginys). Pavyzdžiui, panagrinėkime izoterminį procesą, parodytą aukščiau pateiktame grafike.
Kairėje pusėje esančiame grafike parodytas izoterminis plėtimasis (rodyklė žemyn) ir izoterminis suspaudimas (rodyklė aukštyn). Procesas vyksta nuolat izotermiškai (darbas neatliekamas). Dešinėje pusėje esančiame grafike parodytas izoterminis plėtimasis (rodyklė žemyn), izobarinis suspaudimas (rodyklė kairėn) ir izochorinis procesas (rodyklė aukštyn). Iš šių dviejų grafikų aišku, kad nuolat vykstančiuose procesuose (ciklas) visada yra šilumos nuostoliai. Tai atitinka ankstesnį Kelvino-Planko teiginį.
