Kuti apeze momwe angawonjezere mphamvu ya injini yotenthetsera , wasayansi wa ku France dzina lake Sadi Carnot (1796-1832) anafufuza makina abwino kwambiri a kalori mu 1824. Panthawiyo, lamulo loyamba la thermodynamics silinapangidwe, kapena lamulo lachiwiri la thermodynamics. Lamulo loyamba silinapangidwe chifukwa asayansi sakudziwabe kuti kutentha ndi mphamvu. Joule ndi anzake atayesa m'zaka za m'ma 1830, asayansi adapeza kuti kutentha ndi mphamvu yomwe imayenda chifukwa cha kusiyana kwa kutentha. Chifukwa chake, lamulo loyamba la thermodynamics linapangidwa pambuyo pa 1830. Sadi Carnot anali kufufuza injini yabwino kwambiri ya kalori mu 1824. Kafukufuku wake kwenikweni anali woti awonjezere mphamvu ya injini ya nthunzi. Mainjini ambiri a nthunzi panthawiyo sanali ogwira ntchito bwino.
Kuzungulira kwa injini yoyenera yotenthetsera ya lingaliro la Sadi Carnot kumatchedwa kuzungulira kwa Carnot. Tisanaphunzire kuzungulira kwa Carnot, tinamvetsetsanso njira yosasinthika. Njira iliyonse yosinthira mphamvu ndi kusamutsa mphamvu imachitika mosasinthika. Mwachitsanzo, timapaka manja kuti manja atenthe. Kutentha kumapangidwa kudzera mu ntchito yomwe timachita. Njirayi siingasinthe. Kutentha sikungapunthike manja.
Cholinga cha injini yotenthetsera ndikusintha zina mwa izi, pomwe kutentha kungagwiritsidwe ntchito kugwira ntchito bwino kwambiri. Kuti injini yotenthetsera ikhale ndi mphamvu zambiri, ndiye kuti tiyenera kupewa njira zonse zosasinthika. Kusamutsa kutentha mwachilengedwe sikungasinthe kotero kuti kuyenda kwa kutentha sikuyenera kuchitika.
Injini ikatenga kutentha (Q H ) pa kutentha kwakukulu (T H ), madzi ogwirira ntchito mu makina ayeneranso kukhala pa kutentha kwa T H. Mofananamo, ngati injini itulutsa kutentha kwa Q L pa kutentha kochepa (T L ), madzi ogwirira ntchito mu makina ayeneranso kukhala pa kutentha kwa T L. Chifukwa chake, njira iliyonse yokhudza kusamutsa kutentha iyenera kukhala yotenthetsa (kutentha komweko). Mosiyana ndi zimenezi, ngati kutentha kwa workpiece mu makina kuli pakati pa T H ndi T L , palibe kusamutsa kutentha komwe kumachitika pakati pa makina ndi malo omwe ali ndi kutentha kwa T H (wopereka kutentha) ndi malo omwe ali ndi kutentha kwa T L (kutulutsa). Pakuti kutentha sikusuntha, ndiye kuti njirayi iyenera kuchitika nthawi yomweyo.
Kuzungulira kwa Carnot kumakhala ndi njira ziwiri zosinthika za isothermal ndi njira ziwiri zosinthika za adiabatic.
Chithunzi chomwe chili m'mbali mwake ndi The piston Carnot cycle for a good gas. Choyamba, kutentha kumayamwa panthawi ya isothermal expansion (ab). Panthawi ya isothermal expansion, kutentha kwa mpweya mu silinda kumakhala kosasintha.
Kenako, mpweya umakula pang'onopang'ono kotero kuti kutentha kumatsika kuchokera ku T H kupita ku T L (bc). T H = kutentha kwakukulu, T L = kutentha kochepa. Pakukula kwa adiabatic, palibe kutentha komwe kumalowa kapena kutuluka mu silinda. Pambuyo pake, mpweya umakanikizidwa ndi isothermally (cd). Pakukanikiza kwa isothermal, kutentha kwa mpweya kumakhala kosasintha. Kenako mpweya umakanikizidwa ndi adiabatically (da). Chifukwa umakanikizidwa ndi adiabatically, kutentha kwa mpweya kumawonjezeka. Kutentha kwa mpweya kumawonjezeka kotero kuti kuthamanga kwa mpweya kumawonjezekanso. Njira yonse mu Carnot cycle imatha kusinthidwa.
Pa nthawi yokulitsa kutentha kwa mpweya ndi kukanikiza kwa mpweya wa isothermal, kutentha kwa mpweya kumakhala kofanana. Cholinga chake ndikupewa kusiyana kulikonse kwa kutentha. Kukhalapo kwa kusiyana kwa kutentha kungayambitse kusamutsa kutentha (njira yosasinthika). Kuti njira ya isothermal ichitike (kutentha kwa mpweya nthawi zonse kumakhala kofanana) mpweya uyenera kukulitsidwa pang'onopang'ono kapena kukanidwa. M'malo mwake, kukulirakulira, kapena kuletsa mpweya, kumachitika mwachangu kwambiri. Izi zimachitika chifukwa cha kugwedezeka (kumbukirani zinthu zamadzimadzi), kukangana, kukhuthala, ndi zina zotero. Zotsatira zake, njira yabwino kwambiri ya isothermal sidzakhalapo. Mosiyana ndi zimenezi, kukulirakulira ndi kuletsa kwa adiabatic kumachitika mwachangu.
Cholinga chake ndikuteteza kutentha kuti kusalowe mu silinda kapena kutuluka mu silinda. Kupezeka kwa kukangana, kukhuthala, ndi zina zotero sikumayambitsa kufalikira kwathunthu kwa adiabatic ndi kugogomezera. Kumbukirani kuti injini ya Carnot ndi yongopeka chabe. Makina a Carnot salipo m'miyoyo yathu. Ngakhale kuti ndi yongopeka chabe, kukhalapo kwa injini ya Carnot ndi chitukuko chabwino cha thermodynamics. Zitha kudziwika za njira zilizonse zosasinthika zomwe zingachitike panthawiyi ndikuyesera kuzichepetsa kuti magwiridwe antchito a injini akhale apamwamba kwambiri.
Zotsatira zazikulu za injini ya Carnot ndi kutentha kwabwino kwa injini, kutentha komwe kumalandiridwa (Q H ) kumagwirizana ndi kutentha kwakukulu (T H ), ndipo utsi wosungunuka (Q L ) umagwirizana ndi kutentha kochepa (T L ). Chifukwa chake, kugwira ntchito bwino kwa injini yoyenera yotenthetsera ndi:
Iyi ndi njira yodziwira bwino momwe injini yotenthetsera imagwirira ntchito.
Funso 1:
Injini ya nthunzi imagwira ntchito pakati pa 500 o C ndi 300 o C. Dziwani momwe injini ya nthunzi imagwirira ntchito bwino (Carnot efficiency) imagwirira ntchito bwino.
Anakonza
Kutentha kuyenera kusinthidwa kukhala sikelo ya Kelvin.
T H (kutentha kwambiri) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (kutentha kotsika) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Kugwira ntchito bwino kwa injini yotenthetsera yomwe imagwira ntchito pakati pa 500 °C ndi 300 °C ndi 26%. Pamene makina omwe timagwiritsa ntchito pamoyo wathu watsiku ndi tsiku amagwira ntchito pakati pa 500 °C ndi 300 °C, kugwira ntchito bwino kwambiri komwe makina angakwanitse kumakhala pafupifupi nthawi 0.7 (18.2%).
Funso 2:
Injini yotenthetsera imalandira 600 J pa kutentha kwa 300 °C, imagwira ntchito (W) 100 Joules ndikutulutsa 500 J pa 100 °C. Dziwani momwe makinawa amagwirira ntchito komanso momwe amagwirira ntchito bwino (Carnot efficiency) imagwirira ntchito.
Kutentha kuyenera kusinthidwa kukhala sikelo ya Kelvin
T H (kutentha kwambiri) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
T L (kutentha kotsika) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
Kugwiritsa ntchito bwino kwa injini:
Mphamvu yabwino kwambiri ya makina awa:
Mphamvu ya injini yotenthetsera yabwino kwambiri yomwe imagwira ntchito pakati pa 300 °C ndi 100 °C ndi 35%. Mphamvu yayikulu yomwe makina angakwanitse nthawi zambiri imakhala pafupifupi nthawi 0.7 kuposa mphamvu yoyenera = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J kutentha komwe kumagwiritsidwa ntchito).
Mphamvu yeniyeni ya makina awa ndi 17% (kutentha kwa 100 J kokha ndiko kumagwiritsidwa ntchito). Pali pafupifupi 147 J - 100 J = 47 J kutentha komwe kungagwiritsidwe ntchito.
Funso 3:
Makina amalandira ma calories 1000 Joule ndipo amapanga ma Joule 400 a ntchito pa nthawi iliyonse. Makinawa amagwira ntchito pakati pa 500 o C ndi 200 o C. Werengani momwe makinawa amagwirira ntchito komanso momwe amagwirira ntchito bwino.
Anakonza
T H (kutentha kwambiri) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
T L (kutentha kotsika) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
Kugwiritsa ntchito bwino kwa injini:
Mphamvu yabwino kwambiri ya makina awa:
Kugwiritsa Ntchito Carnot Moyenera = 40%. Kugwiritsa ntchito injini kwenikweni = 60%. Makina awa palibe. Kuchita bwino kwa makina sikungakhale kwakukulu kuposa kugwira bwino kwa Carnot.
Funso 4:
Kuti mphamvu ya injini ya Carnot ifike pa 100% (1), kodi kutentha kofunikira kotulutsa (T L ) ndi kotani?
Anakonza
Kuti injini igwire bwino ntchito bwino ifike pa 100% (kutentha konse kungagwiritsidwe ntchito), ndiye kuti kutentha kochepa (T L ) kuyenera kukhala 0 Kelvin.
Kufika kutentha kwa 0 Kelvin n'kosatheka. Mawu awa ndi lamulo lachitatu la thermodynamics.
Popeza r iliyonse ya 0 Kelvin siingatheke, ndiye kuti injini yotenthetsera yangwiro singakhale ndi mphamvu 100%. Popeza injini yotenthetsera singathe kuchita bwino 100%, zitha kutsimikiziridwa kuti sizingatheke kugwiritsa ntchito kutentha konse (Q H ) kuti igwire ntchito. Payenera kukhala kutentha kotayika (Q L ).
Sipangakhale injini yotenthetsera (yomwe imagwira ntchito mozungulira) yomwe ingasinthe kutentha konse kukhala ntchito (Lamulo lachiwiri la thermodynamics, Kelvin-Planck statement).
Chithunzichi chikuwonetsa njira ya isothermal (kukulitsa kwa isothermal) yomwe ikuchitika mu gawo limodzi lokha. Mu njira iyi, kutentha konse (Q) kungasinthidwe kukhala ntchito (W). Kuchuluka kwa ntchito yomwe yachitika = malo okhala ndi mthunzi.
Injini yotenthetsera iyenera kugwira ntchito mosalekeza (njira iyenera kuchitika mobwerezabwereza, siingachitike mu sitepe imodzi yokha). Mwachitsanzo, injini ya nthunzi yosinthasintha. Pisitoni pa injini ya nthunzi yosinthasintha iyenera kusuntha kupita kumanja ndi kumanzere mosalekeza, kotero mawilo amatha kuzungulira (angagwiritsidwe ntchito kusuntha china chake). Mawilo sangazungulire pamene pisitoni ikusuntha kuti iyime nthawi yomweyo (njira imachitika mu gawo limodzi lokha). Ngati njira ikuchitika mobwerezabwereza, sizingatheke kuti kutentha konse kusinthidwe kukhala ntchito (Kelvin-Planck statement).
Chithunzi kumanzere chikuwonetsa kufalikira kwa isothermal (muvi wotsikira pansi) ndi kupsinjika kwa isothermal (muvi wokwera mmwamba). Njirayi imachitika mosalekeza isothermal (palibe ntchito yopangidwa). Chithunzi kumanja ndi njira yokulira ya isothermal (muvi wotsika), njira yokanikiza isobaric (muvi wopita kumanzere) ndi njira ya isohroric (muvi wokwera mmwamba). Kuchokera pama graph awiriwa, zikuwoneka kuti pa njira yopitilira, nthawi zonse pamakhala kutentha kosatha.
