Pentru a afla cum să crească eficiența motorului termic , un om de știință francez pe nume Sadi Carnot (1796-1832) a examinat o mașină calorică ideală teoretică în 1824. La acea vreme, prima lege a termodinamicii nu fusese formulată, nici a doua lege a termodinamicii. Prima lege nu a fost formulată deoarece oamenii de știință nu știu încă căldura este energie. După ce Joule și colegii săi au experimentat în anii 1830, oamenii de știință au descoperit căldura este energie care se mișcă datorită diferențelor de temperatură. Așadar, prima lege a termodinamicii a fost formulată după 1830. Sadi Carnot cerceta motorul caloric ideal teoretic în 1824. Cercetarea sa a fost de fapt pentru a crește eficiența motorului cu aburi. Majoritatea motoarelor cu aburi din acea vreme erau mai puțin eficiente.
Ciclul motorului termic ideal conform gândirii lui Sadi Carnot se numește ciclul Carnot. Înainte de a învăța ciclul Carnot, am înțeles din nou procesul ireversibil. Fiecare proces de schimbare și transfer de energie are loc ireversibil. De exemplu, ne frecăm mâinile astfel încât mâinile să fie calde. Căldura este generată prin lucrul mecanic pe care îl depunem. Procesul este ireversibil. Căldura nu poate freca mâinile.
Scopul unui motor termic este de a inversa o parte din acest proces, unde căldura poate fi utilizată pentru a efectua lucru mecanic cu cea mai mare eficiență posibilă. Pentru ca motorul termic să aibă o eficiență maximă, trebuie să evităm toate procesele ireversibile. Transferul de căldură este în mod natural ireversibil, astfel încât mișcarea căldurii nu ar trebui să aibă loc.
Când motorul preia căldură (QH ) la o temperatură ridicată (TH ) , fluidul de lucru din mașină trebuie să fie, de asemenea, la temperatura TH . În mod similar, dacă motorul evacuează căldura QL la o temperatură scăzută (TL ) , fluidul de lucru din mașină trebuie să fie, de asemenea, la temperatura TL . Astfel, orice proces care implică transfer de căldură trebuie să fie izoterm (aceeași temperatură). Invers, dacă temperatura piesei de prelucrat din mașină este între TH și TL , nu are loc transfer de căldură între mașina cu locul care are temperatura TH ( furnizorul de căldură) și zona care are temperatura TL ( evacuare). Pentru ca căldura să nu se deplaseze, atunci procesul trebuie să se desfășoare adiabatic.
Ciclul Carnot constă din două procese izoterme reversibile și două procese adiabatice reversibile.
Imaginea din lateral reprezintă ciclul Carnot al pistonului pentru un gaz ideal. Mai întâi, căldura este absorbită în timpul expansiunii izoterme (ab). În timpul expansiunii izoterme, temperatura gazului din cilindru este menținută constantă.
Apoi, gazul se dilată adiabatic, astfel încât temperatura scade de la T H la T L (bc). T H = temperatură ridicată, T L = temperatură scăzută. În timpul expansiunii adiabatice, nicio căldură nu intră și nu iese din cilindru. Ulterior, gazul este presat izoterm (cd). În timpul presării izoterme, temperatura gazului este menținută constantă. Gazul este apoi presat adiabatic (da). Deoarece este suprimat adiabatic, temperatura gazului crește. Temperatura gazului crește, astfel încât și presiunea gazului crește. Întregul proces din ciclul Carnot este reversibil.
În timpul expansiunii izoterme și a preselor izoterme, temperatura gazului este menținută constantă. Scopul este de a evita orice diferențe de temperatură. Existența unei diferențe de temperatură poate provoca transfer de căldură (proces ireversibil). Pentru ca procesul izoterm să aibă loc (temperatura gazului este întotdeauna constantă), gazul trebuie să fie expandat sau presat treptat. În realitate, expansiunea sau suprimarea gazului are loc mai rapid. Acest lucru se datorează turbulenței (amintiți-vă de materialul fluid dinamic), frecării, vâscozității etc. Drept urmare, procesul izoterm perfect nu va exista niciodată. În schimb, expansiunea și suprimarea adiabatice sunt rapide.
Scopul este de a împiedica curgerea căldurii în cilindru sau în afara acestuia. Prezența frecării, a vâscozității etc. nu provoacă o expansiune și o accentuare adiabatică completă. Rețineți că motorul Carnot este doar teoretic. Mașina Carnot nu există în viețile noastre. Deși este doar teoretică, existența motorului Carnot este o dezvoltare benefică a termodinamicii. Se pot cunoaște cel puțin orice procese ireversibile care pot apărea în timpul procesului și se poate încerca minimizarea acestora, astfel încât eficiența motorului să fie maximă.
Rezultatul semnificativ al motorului Carnot este căldura perfectă produsă de acesta, căldura primită (Q<sub> H</sub> ) fiind proporțională cu temperatura înaltă (T<sub> H</sub> ), iar gazele de eșapament dezghețate (Q<sub> L</sub> ) fiind proporționale cu temperatura scăzută (T<sub> L</sub> ). Astfel, randamentul motorului termic perfect este:
Aceasta este ecuația eficienței motorului termic perfect.
Întrebare 1:
O mașină cu abur funcționează între 500 ° C și 300 ° C. Determinați randamentul ideal (randamentul Carnot) al mașinii cu abur.
Soluţie
Temperatura trebuie convertită pe scara Kelvin.
T H (temperatură înaltă) = 500 ° C = 500 + 273 = 773 K
T L (temperatură scăzută) = 300 ° C = 300 + 273 = 573 K
Randamentul unui motor termic perfect care funcționează între 500 °C și 300 °C este de 26%. Când mașinile pe care le folosim în viața de zi cu zi funcționează între 500 °C și 300 °C, randamentul maxim pe care îl pot atinge mașinile este de aproximativ 0.7 ori randamentul ideal (18.2%).
Întrebare 2:
Un motor termic primește 600 J la o temperatură de 300 °C, efectuează un lucru mecanic (W) de 100 Jouli și descarcă 500 J la 100 °C. Determinați randamentul real și randamentul ideal (randamentul Carnot) al acestei mașini.
Temperatura trebuie convertită în scara Kelvin
T H (temperatură înaltă) = 300 ° C — 300 + 273 = 573 K
T L (temperatură scăzută) = 100 ° C — 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Eficiența motorului:
Eficiența ideală a acestei mașini:
Randamentul unui motor termic perfect care funcționează între 300 °C și 100 °C este de 35%. Randamentul maxim pe care îl poate atinge mașina este de obicei de aproximativ 0.7 ori randamentul ideal = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J căldură utilizată pentru a efectua lucrul mecanic).
Randamentul real al acestei mașini este de 17% (doar 100 J de căldură sunt folosite pentru a efectua lucru mecanic). Totuși, în jur de 147 J – 100 J = 47 J de căldură care pot fi folosite pentru a efectua lucru mecanic.
Întrebare 3:
O mașină primește 1000 Joule-calorii și produce 400 Joule de lucru mecanic în fiecare ciclu. Această mașină funcționează între 500 ° C și 200 ° C. Calculați eficiența reală și eficiența ideală a acestei mașini.
Soluţie
T H (temperatură înaltă) = 500 ° C — 500 + 273 = 773 K
T L (temperatură scăzută) = 200 ° C — 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Eficiența motorului:
Eficiența ideală a acestei mașini:
Randamentul Carnot = 40%. Randamentul real al motorului = 60%. Această mașină nu există. Randamentul unei mașini nu putea fi mai mare decât randamentul lui Carnot.
Întrebare 4:
Pentru ca randamentul motorului Carnot să atingă 100% (1), care este temperatura de refulare necesară (T L )?
Soluţie
Pentru ca eficiența perfectă a motorului să atingă 100% (toată căldura poate fi utilizată pentru a efectua lucru mecanic), atunci temperatura scăzută (T L ) ar trebui să fie de 0 Kelvin.
A atinge temperatura de 0 Kelvin este imposibil. Această afirmație este a treia lege a termodinamicii.
Deoarece r fiecare 0 Kelvin nu este posibil, atunci un motor termic perfect poate să nu aibă o eficiență de 100%. Întrucât motorul termic nu poate atinge o eficiență de 100%, se poate concluziona că nu este posibil să se utilizeze toată căldura (QH ) pentru a efectua lucru mecanic. Trebuie să existe o oarecare pierdere de căldură (QL ).
Nu poate exista un motor termic (care funcționează într-un ciclu) care să poată transforma toată căldura în lucru mecanic (a doua lege a termodinamicii, enunțul Kelvin-Planck).
Acest grafic prezintă procesul izoterm (extinderea izotermă) care are loc într-o singură etapă. În acest proces, toată căldura (Q) poate fi convertită în lucru mecanic (W). Cantitatea de lucru mecanic efectuat = zona umbrită.
Motorul termic trebuie să funcționeze continuu (procesul trebuie să se producă în mod repetat, nu poate avea loc într-o singură etapă). De exemplu, un motor cu aburi de tip alternativ. Pistonul unui motor cu aburi alternativ trebuie să se miște continuu la dreapta și la stânga, astfel încât roțile să se poată roti (poate fi folosit pentru a mișca ceva). Roțile nu se pot roti atunci când pistonul se mișcă pentru a se opri chiar atunci (procesul are loc într-o singură etapă). Dacă procesul are loc în mod repetat, este imposibil ca toată căldura să poată fi transformată în lucru mecanic (enunțul Kelvin-Planck).
Graficul din stânga prezintă o expansiune izotermă (săgeată în jos) și o compresie izotermă (săgeată în sus). Procesul are loc continuu izoterm (nu se produce lucru mecanic). Graficul din dreapta reprezintă un proces de expansiune izotermă (săgeată în jos), un proces de presare izobară (săgeată spre stânga) și un proces izoterm ( săgeată în sus). Din aceste două grafice, se pare că, pentru un proces continuu, există întotdeauna o pierdere de căldură.
