Biex jiskopri kif iżid l-effiċjenza tal -magna tas-sħana , xjenzat Franċiż jismu Sadi Carnot (1796-1832) eżamina magna kalorika teoretika ideali fl-1824. Dak iż-żmien, l-ewwel liġi tat-termodinamika kienet għadha ma ġietx ifformulata, u lanqas it-tieni liġi tat-termodinamika. L-ewwel liġi għadha ma ġietx ifformulata għaliex ix-xjentisti għadhom ma jafux li s-sħana hija enerġija. Wara li Joule u l-kollegi tiegħu esperimentaw fis-snin tletin tas-seklu dsatax, ix-xjentisti skoprew li s-sħana hija enerġija li tiċċaqlaq minħabba d-differenzi fit-temperatura. Għalhekk, l-ewwel liġi tat-termodinamika ġiet ifformulata wara l-1830. Sadi Carnot kien qed jirriċerka l-magna kalorika teoretika ideali fl-1824. Ir-riċerka tiegħu fil-fatt kienet li żżid l-effiċjenza tal-magna tal-fwar. Il-biċċa l-kbira tal-magni tal-fwar ta’ dak iż-żmien kienu inqas effiċjenti.
Iċ-ċiklu fuq il-magna tas-sħana ideali tal-ħsieb ta' Sadi Carnot jissejjaħ iċ-ċiklu ta' Carnot. Qabel ma tgħallimna ċ-ċiklu ta' Carnot, fhimna mill-ġdid il-proċess irriversibbli. Kull proċess ta' bidla fl-enerġija u trasferiment tal-enerġija jseħħ b'mod irriversibbli. Pereżempju, nobrok l-idejn sabiex l-idejn ikunu sħan. Is-sħana tiġi ġġenerata permezz tax-xogħol li nagħmlu. Il-proċess huwa irriversibbli. Is-sħana ma tistax tobrok l-idejn.
L-iskop ta' magna tas-sħana huwa li treġġa' lura parti minn dan il-proċess, fejn is-sħana tista' tintuża biex twettaq xogħol bl-ogħla effiċjenza possibbli. Biex il- magna tas-sħana jkollha l-massimu ta' effiċjenza, irridu nevitaw il-proċessi irriversibbli kollha. It-trasferiment tas-sħana huwa naturalment irriversibbli sabiex il-moviment tas-sħana m'għandux iseħħ.
Meta l-magna tieħu s-sħana (Q H ) f'temperatura għolja (T H ), il-fluwidu tax-xogħol fil-magna jrid ikun ukoll f'temperatura T H . Bl-istess mod, jekk il-magna teżawrixxi s-sħana Q L f'temperatura baxxa (T L ), il-fluwidu tax-xogħol fil-magna jrid ikun ukoll f'temperatura T L . Għalhekk, kwalunkwe proċess li jinvolvi trasferiment tas-sħana jrid ikun iżotermiku (l-istess temperatura). Bil-maqlub, jekk it-temperatura tal-biċċa tax-xogħol fil-magna tkun bejn T H u T L , ma jseħħ l-ebda trasferiment tas-sħana bejn il-magna bil-post li għandu t-temperatura T H (fornitur tas-sħana) u ż-żona li għandha t-temperatura T L (ħruġ). Sabiex is-sħana ma tiċċaqlaqx, allura l-proċess irid isir b'mod adjabatiku.
Iċ-ċiklu ta' Carnot jikkonsisti f'żewġ proċessi iżotermiċi riversibbli u żewġ proċessi adjabatiċi riversibbli.
L-immaġni fuq il-ġenb hija ċ-ċiklu ta' Carnot tal-pistun għal gass ideali. L-ewwel, is-sħana tiġi assorbita matul l-espansjoni iżotermika (ab). Matul l-espansjoni iżotermika, it-temperatura tal-gass fiċ-ċilindru tinżamm kostanti.
Imbagħad, il-gass jespandi adjabatikament sabiex it-temperatura tinżel minn T H għal T L (bc). T H = temperatura għolja, T L = temperatura baxxa. Matul l-espansjoni adjabatika, l-ebda sħana ma tidħol jew toħroġ miċ-ċilindru. Wara dan, il-gass jiġi ppressat b'mod iżotermiku (cd). Matul l-ippressar iżotermiku, it-temperatura tal-gass tinżamm kostanti. Il-gass imbagħad jiġi ppressat b'mod adjabatiku (da). Minħabba li jiġi soppress b'mod adjabatiku, it-temperatura tal-gass tiżdied. It-temperatura tal-gass tiżdied sabiex il-pressjoni tal-gass tiżdied ukoll. Il-proċess kollu fiċ-ċiklu ta' Carnot huwa riversibbli.
Waqt l-espansjoni iżotermika u l-pressjonijiet iżotermiċi, it-temperatura tal-gass tinżamm kostanti. L-għan huwa li jiġu evitati kwalunkwe differenzi fit-temperatura. L-eżistenza ta' differenza fit-temperatura tista' tikkawża trasferiment tas-sħana (proċess irriversibbli). Biex iseħħ il-proċess iżotermiku (it-temperatura tal-gass hija dejjem kostanti) il-gass irid jiġi estiż jew ippressat gradwalment. Fir-realtà, l-espansjoni, jew is-soppressjoni tal-gass, isseħħ aktar malajr. Dan huwa dovut għat-turbolenza (ftakar materjal fluwidu dinamiku), frizzjoni, viskożità, eċċ. Bħala riżultat, il-proċess iżotermiku perfett qatt ma jeżisti. Bil-maqlub, l-espansjoni u s-soppressjoni adjabatiċi huma rapidi.
L-għan huwa li s-sħana ma tidħolx fiċ-ċilindru jew toħroġ miċ-ċilindru. Il-preżenza ta' frizzjoni, viskożità, eċċ. ma tikkawża l-ebda espansjoni u enfasi adjabatika kompleta. Żomm f'moħħok li l-magna Carnot hija biss teoretika. Il-magna Carnot ma teżistix f'ħajjitna. Għalkemm biss teoretika, l-eżistenza tal-magna Carnot hija l-iżvilupp benefiċjarju tat-termodinamika. Għall-inqas tista' tkun magħrufa kwalunkwe proċess irriversibbli li jista' jseħħ matul il-proċess u tipprova timminimizzahom sabiex l-effiċjenza tal-magna tkun massima.
Ir-riżultat sinifikanti tal-magna Carnot huwa għas-sħana perfetta tal-magna, is-sħana riċevuta (QH ) hija proporzjonali għat-temperatura għolja (TH ) , u l-egżost imdewweb (QL ) huwa proporzjonali għat-temperatura baxxa (TL ) . Għalhekk, l-effiċjenza tal-magna tas-sħana perfetta hija:
Din hija l-ekwazzjoni tal-effiċjenza tal-magna tas-sħana perfetta.
Mistoqsija 1:
Magna tal-fwar taħdem bejn 500 ° C u 300 ° C. Iddetermina l-effiċjenza ideali (effiċjenza ta' Carnot) tal-magna tal-fwar.
Soluzzjoni
It-temperatura għandha tiġi kkonvertita għall-iskala Kelvin.
T H (temperatura għolja) = 500 ° C = 500 + 273 = 773 K
T L (temperatura baxxa) = 300 ° C = 300 + 273 = 573 K
L-effiċjenza ta' magna tas-sħana perfetta li taħdem bejn 500 °C u 300 °C hija ta' 26%. Meta l-magni li nużaw fil-ħajja tagħna ta' kuljum jaħdmu bejn 500 °C u 300 °C, l-effiċjenza massima li l-magni jistgħu jiksbu hija madwar 0.7 darbiet l-effiċjenza ideali (18.2%).
Mistoqsija 2:
Magna tas-sħana tirċievi 600 J f'temperatura ta' 300 °C, twettaq xogħol (W) 100 Joules u toħroġ 500 J f'100 °C. Iddetermina l-effiċjenza attwali u l-effiċjenza ideali (effiċjenza ta' Carnot) ta' din il-magna.
It-temperatura għandha tiġi kkonvertita fi skala Kelvin
T H (temperatura għolja) = 300 ° C — 300 + 273 = 573 K
T L (temperatura baxxa) = 100 ° C — 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Effiċjenza tal-magna:
L-effiċjenza ideali ta' din il-magna:
L-effiċjenza ta' magna tas-sħana perfetta li taħdem bejn 300 °C u 100 °C hija ta' 35%. L-effiċjenza massima li l-magna tista' tikseb ġeneralment hija madwar 0.7 darbiet l-effiċjenza ideali = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J sħana użata biex tagħmel ix-xogħol).
L-effiċjenza attwali ta’ din il-magna hija ta’ 17% (jintuża biss 100 J ta’ sħana biex isir ix-xogħol). Xorta waħda madwar 147 J – 100 J = 47 J ta’ sħana li tista’ tintuża biex isir ix-xogħol.
Mistoqsija 3:
Magna tirċievi 1000 Joule kalorija u tipproduċi 400 Joule ta' xogħol f'kull ċiklu. Din il-magna taħdem bejn 500 ° C u 200 ° C. Ikkalkula l-effiċjenza attwali u l-effiċjenza ideali ta' din il-magna.
Soluzzjoni
T H (temperatura għolja) = 500 ° C — 500 + 273 = 773 K
T L (temperatura baxxa) = 200 ° C — 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Effiċjenza tal-magna:
L-effiċjenza ideali ta' din il-magna:
Effiċjenza ta' Carnot = 40%. L-effiċjenza attwali tal-magna = 60%. Din il-magna ma teżistix. L-effiċjenza ta' magna ma setgħetx tkun akbar mill-effiċjenza ta' Carnot.
Mistoqsija 4:
Biex l-effiċjenza tal-magna Carnot tilħaq il-100% (1), x'inhi t-temperatura tal-ħruġ meħtieġa (T L )?
Soluzzjoni
Biex l-effiċjenza perfetta tal-magna tilħaq il-100% (is-sħana kollha tista' tintuża biex tagħmel xogħol), allura t-temperatura baxxa (T L ) għandha tkun 0 Kelvin.
Li tintlaħaq it-temperatura ta' 0 Kelvin huwa impossibbli. Din id-dikjarazzjoni hija t-tielet liġi tat-termodinamika.
Peress li r kull 0 Kelvin mhux possibbli, allura magna tas-sħana perfetta jista' ma jkollhiex effiċjenza ta' 100%. Peress li l-effiċjenza ta' 100% ma tistax tinkiseb mill-magna tas-sħana, jista' jiġi konkluż li mhux possibbli li tintuża s-sħana kollha (QH ) biex isir xogħol. Irid ikun hemm xi sħana moħlija (QL ).
Ma jista' jkun hemm l-ebda magna tas-sħana (li taħdem f'ċiklu) li tista' tbiddel is-sħana kollha f'xogħol (It-tieni liġi tat-termodinamika, id-dikjarazzjoni ta' Kelvin-Planck).
Din il-grafika turi l-proċess iżotermiku (espansjoni iżotermika) li jseħħ fi stadju wieħed biss. F'dan il-proċess, is-sħana kollha (Q) tista' tiġi kkonvertita f'xogħol (W). L-ammont ta' xogħol li jsir = żona dellija.
Magna tas-sħana trid taħdem kontinwament (il-proċess irid iseħħ ripetutament, ma jistax iseħħ f'pass wieħed biss). Pereżempju, magna tal-fwar tat-tip alternanti. Il-pistun fuq magna tal-fwar alternanti jrid jiċċaqlaq lejn il-lemin u x-xellug kontinwament, sabiex ir-roti jkunu jistgħu jduru (jistgħu jintużaw biex iċċaqalqu xi ħaġa). Ir-roti ma jistgħux iduru meta l-pistun jiċċaqlaq biex jieqaf f'dak il-mument (il-proċess iseħħ fi stadju wieħed biss). Jekk il-proċess iseħħ ripetutament, huwa impossibbli li s-sħana kollha tkun tista' tinbidel f'xogħol (dikjarazzjoni ta' Kelvin-Planck).
Il-graff fuq ix-xellug juri espansjoni iżotermika (vleġġa 'l isfel) u kompressjoni iżotermika (vleġġa 'l fuq). Il-proċess iseħħ kontinwament b'mod iżotermiku (Ma jiġi prodott l-ebda xogħol). Il-graff fuq il-lemin huwa proċess ta' espansjoni iżotermika (vleġġa 'l isfel), proċess ta' pressar iżobariku (vleġġa lejn ix-xellug) u proċess iżokoriku ( vleġġa 'l fuq). Minn dawn iż-żewġ graffs, jidher li għal proċess kontinwu, dejjem ikun hemm sħana moħlija.
