Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийг хэрхэн нэмэгдүүлэхийг олж мэдэхийн тулд Францын эрдэмтэн Сади Карно (1796-1832) 1824 онд хамгийн тохиромжтой онолын илчлэгийн машиныг судалжээ. Тухайн үед термодинамикийн нэгдүгээр хууль, термодинамикийн хоёрдугаар хууль боловсруулагдаагүй байв. Эхний хууль боловсруулагдаагүй байгаа нь эрдэмтэд дулаан бол энерги гэдгийг хараахан мэдэхгүй байгаатай холбоотой юм. Жоул болон түүний хамтрагчид 1830-аад онд туршилт хийсний дараа эрдэмтэд дулаан бол температурын зөрүүнээс болж хөдөлдөг энерги гэдгийг олж мэджээ. Тиймээс термодинамикийн нэгдүгээр хуулийг 1830 оноос хойш боловсруулсан. Сади Карно 1824 онд онолын хамгийн тохиромжтой илчлэгийн хөдөлгүүрийг судалж байжээ. Түүний судалгаа нь үнэндээ уурын хөдөлгүүрийн үр ашгийг нэмэгдүүлэх зорилготой байв. Тухайн үеийн ихэнх уурын хөдөлгүүрүүд үр ашиг багатай байв.
Сади Карногийн бодлын хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн мөчлөгийг Карногийн мөчлөг гэж нэрлэдэг. Карногийн мөчлөгийг сурахаасаа өмнө бид эргэлт буцалтгүй үйл явцыг дахин ойлгосон. Эрчим хүчний өөрчлөлт болон энергийн шилжилтийн бүх үйл явц эргэлт буцалтгүй явагддаг. Жишээлбэл, бид гараа дулаацуулахын тулд гараа үрдэг. Дулаан нь бидний хийдэг ажлаар үүсдэг. Энэ үйл явц эргэлт буцалтгүй. Дулаан нь гараа үрж чадахгүй.
Дулааны хөдөлгүүрийн зорилго нь энэ процессын зарим хэсгийг урвуулан ашиглах явдал бөгөөд дулааныг ашиглан ажлыг хамгийн өндөр үр ашигтайгаар гүйцэтгэх боломжтой. Дулааны хөдөлгүүр хамгийн их үр ашигтай байхын тулд бид эргэлт буцалтгүй бүх процессоос зайлсхийх ёстой. Дулаан дамжуулалт нь байгалийн жамаараа эргэлт буцалтгүй тул дулааны хөдөлгөөн үүсэх ёсгүй.
Хөдөлгүүр өндөр температурт (TH) дулааныг (QH) авах үед машин дахь ажлын шингэн нь мөн TH температурт байх ёстой. Үүнтэй адилаар, хэрэв хөдөлгүүр QL дулааныг бага температурт (TL) ялгаруулдаг бол машин дахь ажлын шингэн нь мөн TL температурт байх ёстой . Тиймээс дулаан дамжуулалттай холбоотой аливаа процесс изотермаль (ижил температур) байх ёстой. Үүний эсрэгээр, хэрэв машин дахь ажлын хэсгийн температур TH ба TL хооронд байвал TH температуртай газар ( дулаан нийлүүлэгч) болон TL температуртай талбай (ялгадас) хооронд дулаан дамжуулалт хийгдэхгүй. Дулаан хөдлөхгүй тул процессыг адиабатаар хийх ёстой.
Карнотын мөчлөг нь хоёр эргэлт буцалтгүй изотермаль процесс ба хоёр эргэлт буцалтгүй адиабат процессоос бүрдэнэ.
Хажуу талын зураг нь Идеал хийн поршений Карно цикл юм. Нэгдүгээрт, дулааныг изотермаль тэлэлтийн (ab) үед шингээдэг. Изотермаль тэлэлтийн үед цилиндр дэх хийн температурыг тогтмол байлгадаг.
Дараа нь хий нь адиабатаар тэлж, температур нь T H- ээс T L (bc) хүртэл буурдаг. T H = өндөр температур, T L = бага температур. Адиабат тэлэлтийн үед цилиндрт дулаан орохгүй эсвэл гарахгүй. Үүний дараа хий изотермаль дарагддаг (cd). Изотермаль даралтын үед хийн температур тогтмол байдаг. Дараа нь хий адиабатаар дарагддаг (da). Адиабатаар дарагдсан тул хийн температур нэмэгддэг. Хийн температур нэмэгдэж, хийн даралт мөн нэмэгддэг. Карнотын мөчлөгийн бүх үйл явц буцаах боломжтой.
Изотермийн тэлэлт болон изотермийн шахалтын үед хийн температурыг тогтмол байлгадаг. Зорилго нь температурын зөрүүнээс зайлсхийх явдал юм. Температурын зөрүү байгаа нь дулаан дамжуулалтыг (эргэлт буцалтгүй үйл явц) үүсгэж болзошгүй. Изотермийн процесс явагдахын тулд (хийн температур үргэлж тогтмол байдаг) хийг аажмаар тэлэх эсвэл шахах шаардлагатай. Бодит байдал дээр тэлэлт буюу хийн дарангуйлал илүү хурдан явагддаг. Энэ нь турбулент байдал (динамик шингэн материал), үрэлт, зуурамтгай чанар гэх мэтээс үүдэлтэй. Үүний үр дүнд төгс изотермийн процесс хэзээ ч байхгүй болно. Үүний эсрэгээр, адиабат тэлэлт ба дарангуйлал хурдан явагддаг.
Зорилго нь дулааныг цилиндрт орох эсвэл цилиндрээс гарахаас сэргийлэх явдал юм. Үрэлт, зуурамтгай чанар гэх мэт зүйлс нь адиабат тэлэлт болон ачааллыг бүрэн үүсгэдэггүй. Карно хөдөлгүүр нь зөвхөн онолын шинж чанартай гэдгийг санаарай. Карно машин бидний амьдралд байдаггүй. Зөвхөн онолын шинж чанартай ч Карно хөдөлгүүрийн оршин тогтнол нь термодинамикийн ашигтай хөгжил юм. Энэ нь процессын явцад тохиолдож болох эргэлт буцалтгүй үйл явцыг мэдэж, хөдөлгүүрийн үр ашгийг хамгийн их байлгахын тулд тэдгээрийг багасгахыг оролдож болно.
Карно хөдөлгүүрийн чухал үр дүн нь төгс дулааны хөдөлгүүрийн хувьд хүлээн авсан дулаан (QH ) нь өндөр температуртай ( TH ) пропорциональ , гэссэн утаа (QL ) нь бага температуртай ( TL ) пропорциональ байна . Тиймээс төгс дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь:
Энэ бол төгс дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийн тэгшитгэл юм.
Асуулт 1:
Уурын хөдөлгүүр нь 500 ° C-аас 300 ° C-ийн хооронд ажилладаг. Уурын хөдөлгүүрийн хамгийн тохиромжтой үр ашгийг (Карногийн үр ашиг) тодорхойл.
шийдэл
Температурыг Келвиний хэмжээс рүү хөрвүүлэх хэрэгтэй.
T H (өндөр температур) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (бага температур) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
500°C-300°C хооронд ажилладаг төгс дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь 26% байдаг. Бидний өдөр тутмын амьдралд ашигладаг машинууд 500°C-300°C хооронд ажиллах үед машинуудын хүрч чадах хамгийн их үр ашиг нь хамгийн тохиромжтой үр ашгаас 0.7 дахин их (18.2%) байдаг.
Асуулт 2:
Дулааны хөдөлгүүр нь 300 °C температурт 600 Ж дулаан авч, 100 Жоул ажил (Вт) гүйцэтгэж, 100 °C температурт 500 Ж дулаан ялгаруулдаг. Энэ машины бодит үр ашиг ба хамгийн тохиромжтой үр ашгийг (Карногийн үр ашиг) тодорхойл.
Температурыг Келвиний шатлалд хөрвүүлэх хэрэгтэй
T H (өндөр температур) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
T L (бага температур) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 Ж
Q L = 500 Ж
Хөдөлгүүрийн үр ашиг:
Энэ төхөөрөмжийн хамгийн тохиромжтой үр ашиг:
300 °C-аас 100 °C-ийн хооронд ажилладаг төгс дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь 35% байдаг. Машины хүрч чадах хамгийн их үр ашиг нь ихэвчлэн хамгийн тохиромжтой үр ашгаас 0.7 дахин их байдаг = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 Ж = 147 Ж ажил хийхэд зарцуулсан дулаан).
Энэ машины бодит үр ашиг нь 17% (зөвхөн 100 Ж дулааныг ажил хийхэд ашигладаг). Гэсэн хэдий ч ойролцоогоор 147 Ж – 100 Ж = 47 Ж дулааныг ажил хийхэд ашиглаж болно.
Асуулт 3:
Машин нь 1000 Жоуль калори хүлээн авч, мөчлөг бүрт 400 Жоуль ажил гаргадаг. Энэ машин 500 ° C-200 ° C хооронд ажилладаг. Энэ машины бодит үр ашиг болон хамгийн тохиромжтой үр ашгийг тооцоол.
шийдэл
T H (өндөр температур) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
T L (бага температур) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 Ж
Q L = 400 Ж
Хөдөлгүүрийн үр ашиг:
Энэ төхөөрөмжийн хамгийн тохиромжтой үр ашиг:
Карнотын үр ашиг = 40%. Хөдөлгүүрийн бодит үр ашиг = 60%. Энэ машин байхгүй. Машины үр ашиг нь Карнотын үр ашгаас их байж болохгүй.
Асуулт 4:
Карно хөдөлгүүрийн үр ашгийг 100% (1)-д хүргэхийн тулд шаардлагатай цэнэг алдалтын температур (T L ) хэд байх ёстой вэ?
шийдэл
Хөдөлгүүрийн төгс үр ашгийг 100% хүрэхийн тулд (бүх дулааныг ажил хийхэд ашиглаж болно), бага температур (T L ) 0 Кельвин байх ёстой.
0 Кельвиний температурт хүрэх боломжгүй. Энэ мэдэгдэл нь термодинамикийн гурав дахь хууль юм.
0 Кельвин бүр r боломжгүй тул төгс дулааны хөдөлгүүр 100% үр ашигтай байж чадахгүй байж магадгүй юм. Дулааны хөдөлгүүр 100% үр ашгийг бий болгож чадахгүй тул бүх дулааныг (QH) ажил хийхэд ашиглах боломжгүй гэж дүгнэж болно . Зарим дулаан алдагдах ёстой (QL ).
Бүх дулааныг ажил болгон хувиргаж чадах (циклээр ажилладаг) дулааны хөдөлгүүр байж болохгүй (Термодинамикийн хоёрдугаар хууль, Кельвин-Планкийн мэдэгдэл).
Энэ график нь зөвхөн нэг үе шатанд явагдаж буй изотермаль процессыг (изотермаль тэлэлт) харуулж байна. Энэ процесст бүх дулааныг (Q) ажил (W) болгон хувиргаж болно. Гүйцэтгэсэн ажлын хэмжээ = сүүдэртэй талбай.
Дулааны хөдөлгүүр тасралтгүй ажиллах ёстой (үйл явц давтан явагдах ёстой, зөвхөн нэг алхамаар явагдаж болохгүй). Жишээлбэл, хувьсах төрлийн уурын хөдөлгүүр. Хувьсах уурын хөдөлгүүрийн поршень нь баруун, зүүн тийш тасралтгүй хөдлөх ёстой бөгөөд ингэснээр дугуй эргэлдэж болно (ямар нэгэн зүйлийг хөдөлгөхөд ашиглаж болно). Поршень баруун тийш зогсоход дугуй эргэлдэж чадахгүй (үйл явц зөвхөн нэг үе шатанд явагддаг). Хэрэв үйл явц давтан явагдвал бүх дулааныг ажил болгон хувиргах боломжгүй юм (Кельвин-Планкийн мэдэгдэл).
Зүүн талын графикт изотермаль тэлэлт (доош чиглэсэн сум) ба изотермаль шахалтыг (дээш чиглэсэн сум) харуулав. Энэ процесс нь тасралтгүй изотермаль байдлаар явагддаг (Ажил гарахгүй). Баруун талын графикт изотермаль тэлэлтийн процесс (доош чиглэсэн сум), изобар шахалтын процесс (зүүн тийш чиглэсэн сум) ба изохор процесс (дээш чиглэсэн сум) байна . Эдгээр хоёр графикаас харахад тасралтгүй процессын хувьд үргэлж дулаан алдагдаж байдаг.
