Artikel tentang Kitaran Enjin Carnot
Untuk mengetahui cara meningkatkan kecekapan enjin haba, seorang saintis Perancis bernama Sadi Carnot (1796-1832) telah mengkaji enjin haba ideal secara teori pada tahun 1824. Pada masa itu, hukum termodinamik pertama belum dirumuskan, mahupun hukum termodinamik kedua. Hukum pertama belum dirumuskan kerana saintis belum mengetahui bahawa haba adalah tenaga. Selepas Joule dan rakan-rakannya menjalankan eksperimen pada tahun 1830-an, saintis hanya mengetahui dengan pasti bahawa haba adalah tenaga yang dipindahkan disebabkan oleh perbezaan suhu. Jadi hukum termodinamik pertama dirumuskan selepas tahun 1830. Sadi Carnot telah mengkaji enjin haba ideal secara teori pada tahun 1824. Penyelidikan yang dilakukannya sebenarnya adalah untuk meningkatkan kecekapan enjin stim yang digunakan pada masa itu. Kebanyakan enjin stim pada masa itu kurang cekap.
Kitaran dalam enjin haba ideal, yang dibangunkan oleh Sadi Carnot, dipanggil kitaran Carnot. Sebelum mengkaji semula kitaran Carnot, adalah berguna untuk memahami proses yang tidak dapat dipulihkan. Setiap proses transformasi dan pemindahan tenaga yang berlaku secara semula jadi biasanya tidak dapat dipulihkan. Contohnya, jika kita menggosok tangan kita bersama, ia terasa panas. Dalam kes ini, haba dihasilkan melalui kerja yang kita lakukan. Proses ini tidak dapat dipulihkan. Haba yang dihasilkan tidak boleh melakukan kerja dengan sendirinya dengan menggosok tangan kita bersama. Matlamat enjin haba adalah untuk membalikkan sebahagian proses ini, di mana haba boleh digunakan untuk melakukan kerja dengan kecekapan yang sebaik mungkin. Agar enjin haba mencapai kecekapan maksimum, kita mesti mengelakkan semua proses yang tidak dapat dipulihkan. Pemindahan haba yang berlaku secara semula jadi biasanya tidak dapat dipulihkan, oleh itu usaha dilakukan untuk mencegah pemindahan haba.
Apabila enjin mengambil haba QH di tempat yang mempunyai suhu tinggi (TH), bahan kerja dalam mesin juga mesti berada pada suhu THBegitu juga, jika enjin mengeluarkan haba QL di tempat yang mempunyai suhu rendah (TL), bahan kerja dalam mesin juga mesti berada pada suhu TLJadi setiap proses yang melibatkan pemindahan haba mestilah isoterma (suhu yang sama). Sebaliknya, jika suhu bahan kerja dalam enjin berada di antara TH dan TL, tidak boleh ada pemindahan haba antara mesin dan tempat yang mempunyai suhu TH (pembekal haba) dan tempat yang mempunyai suhu TL (pelupusan). Supaya haba tidak terlepas, proses tersebut mesti dijalankan secara adiabatik.
Kitaran Carnot sebenarnya terdiri daripada dua proses isoterma boleh balik dan dua proses adiabatik boleh balik.
Rajah di sebelah kanan menunjukkan kitaran Carnot untuk gas ideal. Pada mulanya, haba diserap semasa pengembangan isoterma (a-b). Semasa pengembangan isoterma, suhu gas dalam silinder dikekalkan malar.
Seterusnya, gas mengembang secara adiabatik supaya suhunya jatuh dari T H ke T L (b-c). T H = suhu tinggi (Suhu tinggi), T L = suhu rendah (Suhu rendah). Semasa pengembangan adiabatik, tiada haba masuk atau keluar dari silinder. Selepas itu, gas dimampatkan secara isoterma (c-d). Semasa mampatan isoterma, suhu gas dikekalkan malar. Seterusnya, gas dimampatkan secara adiabatik (d-a). Oleh kerana ia dimampatkan secara adiabatik, suhu gas meningkat. Suhu gas meningkat supaya tekanan gas juga meningkat. Semua proses dalam kitaran Carnot boleh diterbalikkan.
Semasa pengembangan dan pemampatan isoterma, suhu gas dikekalkan malar. Matlamatnya adalah untuk mengelakkan perbezaan suhu. Perbezaan suhu boleh menyebabkan pemindahan haba (proses yang tidak dapat dipulihkan). Untuk proses isoterma berlaku (mengekalkan suhu gas malar), gas mesti dikembangkan atau dimampatkan secara perlahan-lahan. Pada hakikatnya, pengembangan atau pemampatan gas berlaku dengan lebih pantas. Ini disebabkan oleh pergolakan (ingat topik dinamik bendalir), geseran, kelikatan, dan sebagainya. Akibatnya, proses isoterma yang sempurna tidak akan wujud. Sebaliknya, pengembangan dan pemampatan adiabatik berlaku dengan cepat.
Matlamatnya adalah untuk mengelakkan haba daripada mengalir masuk atau keluar dari silinder. Geseran, kelikatan dan faktor lain menghalang pengembangan dan mampatan adiabatik yang sempurna. Penting untuk diperhatikan bahawa enjin Carnot adalah semata-mata teori; ia tidak wujud dalam kehidupan seharian kita. Walaupun secara teori, enjin Carnot menyumbang dengan ketara kepada perkembangan termodinamik. Sekurang-kurangnya, kita boleh mengenal pasti sebarang proses tidak dapat dipulihkan yang mungkin berlaku semasa proses dan cuba meminimumkannya, sekali gus memaksimumkan kecekapan enjin haba yang direka bentuk.
Satu hasil yang sangat penting daripada enjin Carnot ialah untuk enjin haba yang sempurna, haba yang diterima (Q₂H₃ ) adalah berkadar terus dengan suhu T₂H₃ dan haba yang ditolak (Q₂L₃ ) adalah berkadar terus dengan suhu T₂L₃ . Oleh itu, kecekapan enjin haba yang sempurna ialah:
Contoh soalan 1:
Sebuah enjin stim beroperasi antara 500 ° C dan 300 ° C. Tentukan kecekapan ideal (kecekapan Carnot) bagi enjin stim itu.
Perbincangan
Suhu mesti ditukar kepada skala Kelvin.
T H (suhu tinggi) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (suhu rendah) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Kecekapan atau kecekapan ideal bagi enjin haba sempurna yang beroperasi antara 500 o C dan 300 o C ialah 26%. Jika enjin yang kita gunakan dalam kehidupan seharian beroperasi antara 500 o C dan 300 o C, kecekapan maksimum yang boleh dicapai oleh enjin biasanya sekitar 0,7 kali ganda kecekapan ideal (18,2%).
Contoh soalan 2:
Sebuah enjin haba menerima 600 Joule haba (Q) pada suhu 300 ° C, melakukan 100 Joule kerja (W) dan menolak 500 J pada suhu 100 ° C. Tentukan kecekapan sebenar dan kecekapan ideal (kecekapan Carnot) enjin ini...
Perbincangan
Suhu mesti ditukar kepada skala Kelvin.
T H (suhu tinggi) = 300 o C ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
T L (suhu rendah) = 100 o C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Kecekapan enjin:
Kecekapan atau kecekapan ideal bagi enjin haba sempurna yang beroperasi antara 300 o C dan 100 o C ialah 35%. Kecekapan maksimum yang boleh dicapai oleh enjin biasanya sekitar 0,7 kali ganda kecekapan ideal = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J haba yang boleh digunakan untuk melakukan kerja).
Kecekapan sebenar enjin ini ialah 17% (hanya 100 J haba digunakan untuk melakukan kerja). Masih terdapat kira-kira 147 J – 100 J = 47 J haba yang boleh digunakan untuk melakukan kerja. Adalah baik jika kecekapan enjin ini dapat ditingkatkan untuk meminimumkan kerugian yang kita alami.
Contoh soalan 3:
Sebuah mesin menerima 1000 Joule haba dan menghasilkan 400 Joule kerja dalam setiap kitaran. Mesin ini beroperasi antara 500 ° C dan 200 ° C. Berapakah kecekapan sebenar dan kecekapan ideal mesin ini?
Perbincangan
T H (suhu tinggi) = 500 o C ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
T L (suhu rendah) = 200 o C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Kecekapan enjin:
Kecekapan ideal mesin ini ialah:
Kecekapan ideal, juga dikenali sebagai kecekapan Carnot, ialah 40%. Kecekapan enjin sebenar ialah 60%. Enjin sedemikian tidak wujud. Mustahil kecekapan enjin melebihi kecekapan Carnot.
Contoh soalan 4:
Agar kecekapan enjin Carnot mencapai 100% (1), apakah suhu ekzos (TL ) yang diperlukan?
Perbincangan
Agar kecekapan enjin haba yang sempurna mencapai 100% (semua haba input boleh digunakan untuk melakukan kerja), suhu ekzos (TL ) mestilah = 0 Kelvin.
Mencapai suhu 0 Kelvin adalah mustahil. Pernyataan ini adalah hukum termodinamik ketiga.
Oleh kerana 0 Kelvin adalah mustahil untuk dicapai, enjin haba yang sempurna tidak mungkin mempunyai kecekapan 100%. Enjin haba yang sempurna pun tidak boleh mempunyai kecekapan 100%, apatah lagi enjin haba yang kita gunakan dalam kehidupan seharian.
Oleh kerana kecekapan 100% tidak dapat dicapai oleh enjin haba, kita boleh membuat kesimpulan bahawa adalah mustahil untuk semua haba input (Q₂H₃ ) digunakan untuk melakukan kerja. Mesti ada sebahagian haba yang hilang (Q₂L₃ ).
Mustahil bagi enjin haba (yang bekerja dalam satu kitaran) untuk menukar semua haba kepada kerja (Hukum kedua termodinamik – pernyataan Kelvin-Planck).
Teks berhuruf condong yang tebal di atas merupakan pernyataan khas bagi hukum termodinamik kedua. Ia dipanggil pernyataan khas kerana ia hanya terpakai kepada enjin haba. Oleh kerana Kelvin dan Planck telah merumuskannya, ia juga dipanggil pernyataan Kelvin-Planck. Perhatikan kehadiran perkataan "kitaran" dalam pernyataan di atas. Kitaran ialah proses yang berlaku berulang kali. Jadi, enjin haba berfungsi secara berterusan. Perkataan "kitaran" ditambah kerana, pada hakikatnya, semua haba boleh ditukar menjadi kerja jika proses itu hanya berlaku sekali.
Dalam hukum termodinamik pertama, beberapa proses termodinamik telah dijelaskan, termasuk proses isoterma, isobarik, isokorik dan adiabatik. Dalam proses isoterma, semua haba boleh ditukar menjadi kerja (Q = W). Ini boleh berlaku jika proses tersebut berlaku hanya dalam satu peringkat. Perhatikan imej di bawah:
Graf ini menunjukkan proses isoterma (pengembangan isoterma) yang berlaku dalam satu langkah. Dalam proses ini, semua haba (Q) ditukarkan kepada kerja (W). Jumlah kerja yang dilakukan = kawasan berlorek.
Untuk menjadi berguna, enjin haba mesti beroperasi secara berterusan (proses mesti berlaku berulang kali, bukan hanya dalam satu peringkat). Contohnya, enjin stim salingan. Omboh dalam enjin stim salingan mesti bergerak secara berterusan ke kanan dan kiri supaya roda boleh berputar (boleh digunakan untuk menggerakkan sesuatu). Roda tidak boleh berputar jika omboh hanya bergerak ke kanan, selepas itu ia berhenti (proses hanya berlaku dalam satu peringkat). Jika proses berlaku berulang kali (omboh bergerak secara berterusan ke kanan dan kiri), adalah mustahil untuk semua haba ditukar menjadi kerja (pernyataan Kelvin-Planck). Sebagai contoh, mari kita pertimbangkan proses isoterma yang ditunjukkan dalam graf di atas.
Graf di sebelah kiri menunjukkan pengembangan isoterma (anak panah ke bawah) dan mampatan isoterma (anak panah ke atas). Proses ini berlaku secara berterusan secara isoterma (tiada kerja dihasilkan). Graf di sebelah kanan menunjukkan pengembangan isoterma (anak panah ke bawah), mampatan isobarik (anak panah kiri), dan proses isokorik (anak panah ke atas). Daripada kedua-dua graf ini, jelas bahawa bagi proses yang berlaku secara berterusan (kitaran), sentiasa terdapat kehilangan haba. Ini selaras dengan pernyataan Kelvin-Planck sebelumnya.
