Lahatsoratra momba ny tsingerin'ny motera Carnot
Mba hahitana ny fomba hampitomboana ny fahombiazan'ny motera hafanana, dia nandalina motera hafanana idealy tamin'ny fomba teorika ny mpahay siansa frantsay iray antsoina hoe Sadi Carnot (1796-1832) tamin'ny taona 1824. Tamin'izany fotoana izany, mbola tsy noforonina ny lalàna voalohany momba ny termodinamika, na ny lalàna faharoa momba ny termodinamika. Mbola tsy noforonina ny lalàna voalohany satria mbola tsy fantatry ny mpahay siansa fa angovo ny hafanana. Rehefa avy nanao andrana i Joule sy ny namany tamin'ny taona 1830, dia fantatr'ireo mpahay siansa tsara fa angovo afindra noho ny fahasamihafan'ny mari-pana ny hafanana. Noho izany, dia noforonina taorian'ny taona 1830 ny lalàna voalohany momba ny termodinamika. Nandalina motera hafanana idealy tamin'ny fomba teorika i Sadi Carnot tamin'ny taona 1824. Ny fikarohana nataony dia ny hampitomboana ny fahombiazan'ny motera etona izay nampiasaina tamin'izany fotoana izany. Ny ankamaroan'ny motera etona tamin'izany fotoana izany dia tsy dia nahomby loatra.
Ny tsingerina ao amin'ny motera hafanana tonga lafatra, novolavolain'i Sadi Carnot, dia antsoina hoe tsingerina Carnot. Alohan'ny handinihana ny tsingerina Carnot, dia mahasoa ny mahatakatra ny dingana tsy azo averina. Ny dingana rehetra mitranga voajanahary amin'ny fiovan'ny sy famindrana angovo dia matetika tsy azo averina. Ohatra, raha mikosoka ny tanantsika isika dia mahatsiaro ho mafana izy ireo. Amin'ity tranga ity, ny hafanana dia vokarina amin'ny alàlan'ny asa ataontsika. Tsy azo averina io dingana io. Ny hafanana vokarina dia tsy afaka manao asa irery amin'ny alàlan'ny fikosoka ny tanantsika. Ny tanjon'ny motera hafanana dia ny hamadika ampahany io dingana io, izay ahafahana mampiasa ny hafanana hanaovana asa amin'ny fahombiazana lehibe indrindra. Mba hahazoana fahombiazana ambony indrindra amin'ny motera hafanana, dia tsy maintsy ialantsika ny dingana rehetra tsy azo averina. Ny famindrana hafanana voajanahary dia matetika tsy azo averina, noho izany dia misy ezaka atao mba hisorohana ny famindrana hafanana.
Rehefa maka hafanana ny motera QH any amin'ny toerana misy mari-pana ambony (TH), ny akora miasa ao amin'ny milina dia tsy maintsy amin'ny mari-pana T ihany koaHToy izany koa, raha manala ny hafanana Q ny moteraL any amin'ny toerana misy mari-pana ambany (TL), ny akora miasa ao amin'ny milina dia tsy maintsy amin'ny mari-pana T ihany koaLKoa ny dingana rehetra izay misy famindrana hafanana dia tsy maintsy isothermal (mari-pana mitovy). Mifanohitra amin'izany kosa, raha eo anelanelan'ny T ny mari-pana ao amin'ny akora miasa ao amin'ny moteraH ary TL, tsy tokony hisy fifindran'ny hafanana eo amin'ny milina sy ny toerana izay manana mari-pana TH (mpamatsy hafanana) ary toerana iray izay manana mari-pana TL (fanariana). Mba tsy hivoahan'ny hafanana dia tsy maintsy tanterahina amin'ny fomba adiabatika ny dingana.
Ny tsingerin'i Carnot dia misy dingana isothermal roa azo averina sy dingana adiabatika azo averina roa.
Ny sary eo ankavanana dia mampiseho ny tsingerin'ny Carnot ho an'ny entona idealy. Amin'ny voalohany, ny hafanana dia raisina mandritra ny fanitarana isothermal (a-b). Mandritra ny fanitarana isothermal, ny mari-pana ao amin'ny entona ao anaty varingarina dia tazonina ho tsy miova.
Manaraka izany, mivelatra adiabatika ny entona ka midina avy amin'ny T H mankany amin'ny T L (b-c) ny mari-panany. T H = mari-pana ambony (mari-pana ambony), T L = mari-pana ambany (mari-pana ambany). Mandritra ny fivelarana adiabatika, tsy misy hafanana miditra na mivoaka ny varingarina. Aorian'izay, voatsindry isothermaly ny entona (c-d). Mandritra ny famoretana isothermaly, tazonina tsy miova ny mari-pana. Manaraka izany, voatsindry adiabatika ny entona (d-a). Satria voatsindry adiabatika izy, dia mitombo ny mari-pana. Mitombo ny mari-pana ka mitombo ihany koa ny tsindrin'ny entona. Azo averina averina ny dingana rehetra ao amin'ny tsingerin'ny Carnot.
Mandritra ny fanitarana sy ny famoretana isothermal, dia tazonina tsy miova ny mari-pana. Ny tanjona dia ny hisorohana ny fahasamihafan'ny mari-pana. Ny fahasamihafan'ny mari-pana dia mety hiteraka famindrana hafanana (dingana tsy azo ovaina). Mba hisian'ny dingana isothermal (fitazonana ny mari-pana tsy miova), dia tsy maintsy mivelatra na manindry miadana ny entona. Raha ny marina, ny fanitarana na ny famoretana ny entona dia mitranga haingana kokoa. Izany dia vokatry ny fikorontanana (tadidio ny lohahevitra momba ny dinamikan'ny ranoka), ny fikikisana, ny viscosity, sns. Vokatr'izany, dia tsy hisy mihitsy ny dingana isothermal tonga lafatra. Fa kosa, ny fanitarana sy ny famoretana adiabatika dia mitranga haingana.
Ny tanjona dia ny hisorohana ny fikorianan'ny hafanana miditra na mivoaka ny cylinder. Ny fikikisana, ny viscosity, ary ireo anton-javatra hafa dia manakana ny fanitarana sy ny famoretana adiabatika tonga lafatra. Zava-dehibe ny manamarika fa ny motera Carnot dia teorika fotsiny; tsy misy eo amin'ny fiainantsika andavanandro. Na dia teorika aza, ny motera Carnot dia mandray anjara betsaka amin'ny fivoaran'ny termodinamika. Farafaharatsiny, afaka mamantatra izay dingana tsy azo ovaina mety hitranga mandritra ny dingana isika ary miezaka mampihena izany, ka mampitombo ny fahombiazan'ny motera hafanana novolavolaintsika.
Vokatra tena manan-danja avy amin'ny motera Carnot ny hoe ho an'ny motera hafanana tonga lafatra, ny hafanana voaray (Q₂H₃ ) dia mifanandrify amin'ny mari-pana T₂H₃ ary ny hafanana lavina (Q₂L₃ ) dia mifanandrify amin'ny mari-pana T₂H₃ . Noho izany, ny fahombiazan'ny motera hafanana tonga lafatra dia:
Ohatra fanontaniana faha-1:
Miasa eo anelanelan'ny 500 ° C sy 300 ° C ny motera etona. Fantaro ny fahombiazana idealy (fahombiazan'ny Carnot) an'ny motera etona.
Discussion
Tsy maintsy ovaina ho amin'ny maridrefy Kelvin ny mari-pana.
T H (hafanana avo) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (mari-pana ambany) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Ny fahombiazana na ny fahombiazan'ny motera hafanana tonga lafatra miasa eo anelanelan'ny 500 o C sy 300 o C dia 26%. Raha miasa eo anelanelan'ny 500 o C sy 300 o C ny motera ampiasaintsika andavanandro , ny fahombiazana ambony indrindra azon'ny motera tratrarina dia mazàna manodidina ny 0,7 heny noho ny fahombiazana tonga lafatra (18,2%).
Ohatra fanontaniana faha-2:
Mahazo hafanana 600 Joule (Q) amin'ny mari-pana 300 ° C ny motera hafanana iray, manao asa 100 Joule (W) ary mandà 500 J amin'ny mari-pana 100 ° C. Fantaro ny fahombiazan'ny tena izy sy ny fahombiazana idealy (fahombiazan'ny Carnot) an'ity motera ity...
Discussion
Tsy maintsy ovaina ho amin'ny maridrefy Kelvin ny mari-pana.
T H (hafanana avo) = 300 o C ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
T L (mari-pana ambany) = 100 o C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Fahombiazan'ny motera:
Ny fahombiazana na ny fahombiazan'ny motera hafanana tonga lafatra miasa eo anelanelan'ny 300 o C sy 100 o C dia 35%. Ny fahombiazana ambony indrindra azon'ny motera tratrarina dia mazàna eo amin'ny 0,7 heny noho ny fahombiazana tonga lafatra = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J ny hafanana azo ampiasaina hanaovana asa).
Ny fahombiazan'ity motera ity dia 17% (hafanana 100 J ihany no ampiasaina hanaovana asa). Mbola misy hafanana eo amin'ny 147 J – 100 J = 47 J eo ho eo azo ampiasaina hanaovana asa. Tsara raha ampitomboina ny fahombiazan'ity motera ity mba hampihenana ny fatiantoka aterak'izany.
Ohatra fanontaniana faha-3:
Mahazo hafanana 1000 Joule ny milina iray ary mamokatra asa 400 Joule isaky ny tsingerina. Miasa eo anelanelan'ny 500 ° C sy 200 ° C ity milina ity. Inona ny tena fahombiazana sy ny fahombiazana idealy an'ity milina ity?
Discussion
T H (hafanana avo) = 500 o C ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
T L (mari-pana ambany) = 200 o C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Fahombiazan'ny motera:
Ny fahombiazan'ity milina ity dia:
Ny fahombiazana idealy, fantatra ihany koa amin'ny hoe fahombiazan'ny Carnot, dia 40%. Ny fahombiazan'ny motera tena izy dia 60%. Tsy misy izany motera izany. Tsy azo atao ny mihoatra ny fahombiazan'ny motera amin'ny fahombiazan'ny Carnot.
Ohatra fanontaniana faha-4:
Mba hahatratrarana ny fahombiazan'ny motera Carnot 100% (1), inona ny mari-pana fivoahan'ny setroka (TL ) ilaina?
Discussion
Mba hahatratrarana ny fahombiazan'ny motera hafanana tonga lafatra 100% (azo ampiasaina hanaovana asa ny hafanana miditra rehetra), dia tsy maintsy = 0 Kelvin ny mari-pana mivoaka (TL ) .
Tsy azo atao ny mahatratra mari-pana 0 Kelvin. Io fanambarana io no lalàna fahatelon'ny termodinamika.
Satria tsy azo tratrarina ny 0 Kelvin, dia tsy afaka ny hanana fahombiazana 100% ny motera hafanana tonga lafatra. Na dia ny motera hafanana tonga lafatra aza dia tsy afaka manana fahombiazana 100%, mainka moa fa ireo motera hafanana ampiasaintsika amin'ny fiainana andavanandro.
Koa satria tsy mahatratra fahombiazana 100% amin'ny alalan'ny motera hafanana, dia afaka manatsoaka hevitra isika fa tsy azo atao ny mampiasa ny hafanana rehetra miditra ( Q₂H₃ ) hanaovana asa. Tsy maintsy misy hafanana very ( Q₂L₃ ).
Tsy ho vitan'ny motera hafanana (miasa ao anaty tsingerina) ny manova ny hafanana rehetra ho asa (Lalàna faharoa momba ny termodinamika - fanambarana Kelvin-Planck).
Ny lahatsoratra matavy etsy ambony dia fanambarana manokana momba ny lalàna faharoa momba ny termodinamika. Antsoina hoe fanambarana manokana izany satria mihatra amin'ny motera hafanana ihany. Satria i Kelvin sy Planck no namorona azy, dia antsoina koa hoe fanambarana Kelvin-Planck. Mariho ny fisian'ny teny hoe "tsingerina" ao amin'ny fanambarana etsy ambony. Ny tsingerina dia dingana iray izay mitranga miverimberina. Noho izany, miasa tsy tapaka ny motera hafanana. Ampiana ny teny hoe "tsingerina" satria, raha ny marina, ny hafanana rehetra dia azo ovaina ho asa raha mitranga indray mandeha monja ny dingana.
Ao amin'ny lalàna voalohan'ny termodinamika, dia nohazavaina ny dingana termodinamika maromaro, anisan'izany ny dingana isothermal, isobarika, isochorika, ary adiabatika. Ao amin'ny dingana isothermal, ny hafanana rehetra dia azo ovaina ho asa (Q = W). Mety hitranga izany raha toa ka mitranga amin'ny dingana iray monja ny dingana. Jereo ny sary etsy ambany:
Ity grafika ity dia mampiseho dingana isothermal (fivelarana isothermal) izay mitranga amin'ny dingana tokana. Amin'ity dingana ity, ny hafanana rehetra (Q) dia avadika ho asa (W). Ny habetsaky ny asa vita = ny faritra misy alokaloka.
Mba hahasoa azy, ny motera hafanana dia tsy maintsy miasa tsy tapaka (ny dingana dia tsy maintsy mitranga miverimberina, fa tsy amin'ny dingana iray monja). Ohatra, ny motera etona mifamadika. Ny piston ao amin'ny motera etona mifamadika dia tsy maintsy mihetsika tsy tapaka miankavanana sy miankavia mba hahafahan'ny kodiarana mihodina (azo ampiasaina hamindrana zavatra). Tsy afaka mihodina ny kodiarana raha mihetsika miankavanana fotsiny ny piston, ary aorian'izay dia mijanona (ny dingana dia mitranga amin'ny dingana iray ihany). Raha mitranga miverimberina ny dingana (ny piston dia mihetsika tsy tapaka miankavanana sy miankavia), dia tsy azo atao ny manova ny hafanana rehetra ho asa (fanambaran'i Kelvin-Planck). Ohatra, andeha hojerentsika ny dingana isothermal aseho amin'ny grafika etsy ambony.
Ny grafika eo ankavia dia mampiseho ny fanitarana isothermal (zana-tsipìka midina) sy ny famoretana isothermal (zana-tsipìka miakatra). Mitranga tsy tapaka amin'ny fomba isothermal ny dingana (tsy misy asa vokarina). Ny grafika eo ankavanana dia mampiseho ny fanitarana isothermal (zana-tsipìka midina), ny famoretana isobarika (zana-tsipìka havia), ary ny dingana isochoric (zana-tsipìka miakatra). Avy amin'ireo grafika roa ireo, dia mazava fa ho an'ny dingana izay mitranga tsy tapaka (tsingerina), dia misy foana ny fahaverezan'ny hafanana. Mifanaraka amin'ny fanambarana Kelvin-Planck teo aloha izany.
