Kitaran Carnot – masalah dan penyelesaian

Kitaran Carnot – masalah dan penyelesaian

1. Jika haba yang diserap oleh enjin (Q1 ₎ = 10,000 Joule, apakah kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot?

Diketahui:

Suhu rendah (T ₂ ) = 400 K

Suhu tinggi (T ₁ ) = 800 K

Input haba (Q1 ₎ = 10,000 Joule

Dikehendaki: Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot (W)

penyelesaian:

Kecekapan enjin Carnot:

Kerja telah dilakukan oleh enjin Carnot:

W = e Q ₁

W = (1/2)(10,000) = 5000 Joule

2.

Berdasarkan graf di atas, apakah kerja yang dilakukan oleh enjin dalam satu kitaran?

Diketahui:

Suhu rendah (T _L ) = 400 K

Suhu tinggi (T₂H₂ ₎ = 600 K

Input haba (Q1 ₎ = 600 Joule

Dikehendaki: Kerja dilakukan oleh enjin Carnot (W)

Penyelesaian:

Kecekapan enjin Carnot:

Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot:

W = e Q ₁

W = (1/3)(600) = 200 Joule

3. Berdasarkan graf di bawah, apakah kecekapan enjin Carnot?

Diketahui:

Suhu rendah (T _L ) = 350 K

Suhu tinggi (T₂H₂ ₎ = 500 K

Dikehendaki: Kecekapan enjin Carnot (e)

Penyelesaian:

Kecekapan enjin Carnot:

e = (TH _– TH ₎ / _TH

e = (500 – 350) / 500

e = 150 / 500

e = 0.3

e = 30/100 = 30%

4. Berdasarkan graf di bawah, suhu tinggi enjin haba ialah 600 K dan suhu rendah ialah 400 K. Jika kerja yang dilakukan oleh enjin ialah W, apakah haba yang dikeluarkan.

Diketahui:

Suhu rendah (T _L ) = 400 K

Suhu tinggi (T₂H₂ ₎ = 600 K

Dikehendaki: keluaran haba ( _Q2 )

Penyelesaian:

Kecekapan enjin Carnot:

e = (TH _– TH ₎ / _TH

e = (600 – 400) / 600

e = 200 / 600

e = 1/3

Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot:

W = e Q ₁

W = kerja yang dilakukan oleh enjin, e = kecekapan, Q1 = input haba

W = (1/3)( _Q1 )

3W = _Q1

Keluaran haba:

S ₂ = S ₁ – W

S ₂ = 3W – W

Q ₂ = 2W

5. Berdasarkan graf di bawah, jika haba yang dikeluarkan ialah 3000 Joule, apakah haba yang dimasukkan.

Diketahui:

Suhu rendah (T_L) = 500 K

Suhu tinggi (T₂H₂ ₎ = 800 K

Haba yang dikeluarkan (Q2 ₎ = 3000 Joule

Dikehendaki: Input haba (Q ₁ )

Penyelesaian:

Kecekapan enjin Carnot:

e = (TH _– TH ₎ / _TH

e = (800 – 500) /8600

e = 300 / 800

e = 3/8

Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot:

W = e Q ₁

W = (3/8)( _Q1 )

8W/3 = Q ₁

S ₂ = S ₁ – W

S ₂ = 8W/3 – 3W/3

S ₂ = 5W/3

3Q ₂ = 5W

W = 3Q _2/5 = 3(3000)/5 = 9000/5 = 1800

Haba yang diserap oleh enjin:

Q ₁ = W + Q ₂ = 1800 + 3000 = 4800 Joule

6. Sebuah enjin Carnot menyerap haba pada suhu tinggi 800 Kelvin dan kecekapan enjin Carnot ialah 50%. Berapakah suhu tinggi untuk meningkatkan kecekapan kepada 80% jika suhu rendah dikekalkan malar.

Diketahui:

Jika suhu tinggi (T₂H₃ ₎ = 800 K, kecekapan (e) = 50% = 0.5

Dikehendaki: Suhu tinggi (T₂H₃ ₎ jika kecekapan (e) = 80% = 0.8

Penyelesaian:

Suhu rendah = 400 Kelvin

Berapakah suhu tinggi (T₂H₂ ₎ jika kecekapan (e) = 80%?

Suhu tinggi = 2000 Kelvin

7. Sebuah enjin Carnot berfungsi pada suhu tinggi 600 Kelvin dengan kecekapan 40%. Jika kecekapan enjin ialah 75% dan suhu rendah dikekalkan malar, apakah suhu tinggi itu?

Diketahui:

Jika suhu tinggi (T₂H₃ ₎ = 600 K, kecekapan (e) = 40% = 0.4

Dikehendaki: Suhu tinggi (T₂H₃ ₎ jika kecekapan (e) = 75% = 0.75

Penyelesaian:

Suhu tinggi (T_H) jika kecekapan (e) = 75% ?

Suhu tinggi = 1440 Kelvin

1. Apakah kitaran Carnot itu? jawapanKitaran Carnot ialah kitaran termodinamik teori yang mewakili kitaran enjin haba boleh balik yang paling cekap. Ia terdiri daripada dua proses isoterma dan dua proses adiabatik.
2. Mengapakah kitaran Carnot dianggap sebagai kitaran ideal? jawapanKitaran Carnot dianggap ideal kerana ia mewakili had kecekapan atas bagi mana-mana enjin haba. Tiada enjin sebenar yang lebih cekap daripada enjin Carnot yang beroperasi di antara dua takungan suhu yang sama.
3. Apakah empat proses dalam kitaran Carnot? jawapanEmpat proses dalam kitaran Carnot ialah:
   1. Pengembangan isoterma pada suhu tinggi T_H​.
   2. Pengembangan adiabatik (di mana sistem ditebat secara terma dan disejukkan).
   3. Mampatan isoterma pada suhu rendah T_C​.
   4. Mampatan adiabatik (di mana sistem ditebat secara terma dan dipanaskan).
4. Mengapakah tiada enjin haba sebenar yang beroperasi pada kitaran Carnot? jawapanEnjin sebenar mempunyai kerugian tak boleh balik, seperti geseran, dan tidak dapat mengekalkan penebat yang sempurna semasa proses adiabatik. Tambahan pula, adalah tidak praktikal untuk mencapai proses isoterma yang sangat perlahan yang diperlukan oleh kitaran Carnot.
5. Apakah kecekapan enjin Carnot? jawapanKecekapan $\eta$ enjin Carnot yang beroperasi di antara dua takungan suhu T_H​ (panas) dan T_C​ (sejuk) diberikan oleh:
   η=1-T_C/T_H​​​

   di mana suhu berada dalam Kelvin.

6. Mengapakah enjin Carnot tidak boleh mempunyai kecekapan 100%? jawapanKecekapan enjin Carnot bergantung pada perbezaan suhu antara takungan panas dan sejuk. Untuk mencapai kecekapan 100%, suhu takungan sejuk perlu sifar mutlak (0 Kelvin), yang tidak dapat dicapai dalam praktiknya.
7. Apakah kepentingan kebolehbalikan dalam kitaran Carnot? jawapanKebolehbalikan memastikan tiada proses penjanaan entropi, yang bermaksud kitaran boleh beroperasi pada kecekapan maksimum. Sebarang proses yang tidak boleh dipulihkan akan mengurangkan kecekapan kitaran.
8. Bagaimanakah kitaran Carnot berkaitan dengan hukum termodinamik kedua? jawapanKitaran Carnot menyokong Hukum Kedua dengan menetapkan had atas kecekapan enjin haba. Hukum Kedua menegaskan bahawa tiada enjin yang lebih cekap daripada enjin Carnot yang beroperasi antara dua suhu yang sama.
9. Mengapakah mustahil untuk mempunyai proses isoterma dalam aplikasi dunia sebenar sama seperti yang terdapat dalam kitaran Carnot? jawapanProses isoterma, seperti yang digambarkan dalam kitaran Carnot, memerlukan jumlah masa yang tidak terhingga, yang tidak praktikal dalam aplikasi dunia sebenar. Ini kerana untuk mengekalkan keadaan isoterma, pemindahan haba harus berlaku secara perlahan-lahan.

10. Bagaimanakah kitaran Carnot membantu jurutera dan saintis? Jawapan : Kitaran Carnot menyediakan penanda aras teori untuk kecekapan maksimum enjin haba. Dengan membandingkan enjin sebenar dengan kitaran Carnot, jurutera dan saintis boleh mengenal pasti bidang untuk penambahbaikan dan memahami had asas reka bentuk mereka.