Articol despre ciclul motorului Carnot
Pentru a afla cum să crească eficiența unui motor termic, un om de știință francez pe nume Sadi Carnot (1796-1832) a studiat teoretic un motor termic ideal în 1824. La acea vreme, prima lege a termodinamicii nu fusese formulată, nici a doua lege a termodinamicii. Prima lege nu fusese formulată deoarece oamenii de știință nu știau încă căldura este energie. După ce Joule și prietenii săi au efectuat experimente în anii 1830, oamenii de știință au știut cu certitudine doar căldura este energie transferată datorită diferențelor de temperatură. Așadar, prima lege a termodinamicii a fost formulată după 1830. Sadi Carnot studiase teoretic un motor termic ideal în 1824. Cercetările pe care le-a făcut au avut de fapt scopul de a crește eficiența motoarelor cu aburi care erau în uz la acea vreme. Majoritatea motoarelor cu aburi din acea vreme erau mai puțin eficiente.
Ciclul dintr-un motor termic ideal, dezvoltat de Sadi Carnot, se numește ciclul Carnot. Înainte de a trece în revistă ciclul Carnot, este util să înțelegem procesele ireversibile. Fiecare proces natural de transformare și transfer de energie este de obicei ireversibil. De exemplu, dacă ne frecăm mâinile, acestea se simt calde. În acest caz, căldura este produsă prin lucrul mecanic pe care îl facem. Procesul este ireversibil. Căldura produsă nu poate efectua lucru mecanic de una singură prin frecarea mâinilor. Scopul unui motor termic este de a inversa parțial acest proces, unde căldura poate fi utilizată pentru a efectua lucru mecanic cu cea mai mare eficiență posibilă. Pentru ca un motor termic să atingă o eficiență maximă, trebuie să evităm toate procesele ireversibile. Transferul de căldură natural este de obicei ireversibil, prin urmare, se depun eforturi pentru a preveni transferul de căldură.
Când motorul preia căldură QH în locuri cu temperaturi ridicate (TH), substanța de lucru din mașină trebuie să fie, de asemenea, la temperatura THÎn mod similar, dacă motorul elimină căldura QL în locuri cu temperaturi scăzute (TL), substanța de lucru din mașină trebuie să fie, de asemenea, la temperatura TLDeci, fiecare proces care implică transfer de căldură trebuie să fie izoterm (aceeași temperatură). Invers, dacă temperatura substanței de lucru din motor este între TH și T.L, nu trebuie să existe transfer de căldură între mașină și un loc care are o temperatură TH (furnizor de căldură) și un loc care are o temperatură TL (eliminare). Pentru ca căldura să nu se piardă, procesul trebuie efectuat adiabatic.
Ciclul Carnot constă de fapt din două procese izoterme reversibile și două procese adiabatice reversibile.
Figura din dreapta prezintă ciclul Carnot pentru un gaz ideal. Inițial, căldura este absorbită în timpul expansiunii izoterme (a-b). În timpul expansiunii izoterme, temperatura gazului din cilindru este menținută constantă.
Apoi, gazul se dilată adiabatic, astfel încât temperatura sa scade de la T H la T L (b-c). T H = temperatură ridicată (Temperatură ridicată), T L = temperatură scăzută (Temperatură scăzută). În timpul expansiunii adiabatice, nicio căldură nu intră și nu iese din cilindru. După aceea, gazul este comprimat izoterm (c-d). În timpul compresiei izoterme, temperatura gazului este menținută constantă. Apoi, gazul este comprimat adiabatic (d-a). Deoarece este comprimat adiabatic, temperatura gazului crește. Temperatura gazului crește, astfel încât și presiunea gazului crește. Toate procesele din ciclul Carnot sunt reversibile.
În timpul expansiunii și compresiei izoterme, temperatura gazului este menținută constantă. Scopul este de a evita diferențele de temperatură. Diferențele de temperatură pot provoca transfer de căldură (un proces ireversibil). Pentru ca un proces izoterm să aibă loc (menținând temperatura gazului constantă), gazul trebuie să fie expandat sau comprimat lent. În realitate, expansiunea sau compresia gazului are loc mai rapid. Acest lucru se datorează turbulenței (amintiți-vă de subiectul dinamicii fluidelor), frecării, vâscozității etc. Drept urmare, un proces izoterm perfect nu va exista niciodată. În schimb, expansiunea și compresia adiabatice au loc rapid.
Scopul este de a preveni pătrunderea căldurii în sau din cilindru. Fricțiunea, vâscozitatea și alți factori împiedică expansiunea și compresia adiabatică perfectă. Este important de menționat că motorul Carnot este pur teoretic; nu există în viața noastră de zi cu zi. Deși teoretic, motorul Carnot contribuie semnificativ la dezvoltarea termodinamicii. Cel puțin, putem identifica orice procese ireversibile care pot apărea în timpul procesului și putem încerca să le minimizăm, maximizând astfel eficiența motorului termic proiectat de noi.
Un rezultat foarte important al motorului Carnot este că, pentru un motor termic perfect, căldura primită (Q<sub> H</sub> ) este proporțională cu temperatura T<sub> H</sub> , iar căldura eliberată (Q<sub> L</sub> ) este proporțională cu temperatura T<sub> L </sub>. Astfel, randamentul unui motor termic perfect este:
Exemplu de întrebare 1:
O mașină cu aburi funcționează între 500 ° C și 300 ° C. Determinați randamentul ideal (randamentul Carnot) al mașinii cu aburi.
Pembahasan
Temperatura trebuie convertită la scara Kelvin.
T H (temperatură înaltă) = 500 ° C = 500 + 273 = 773 K
T L (temperatură scăzută) = 300 ° C = 300 + 273 = 573 K
Randamentul ideal sau eficiența unui motor termic perfect care funcționează între 500 o C și 300 o C este de 26%. Dacă motorul pe care îl folosim în viața de zi cu zi funcționează între 500 o C și 300 o C, randamentul maxim pe care îl poate atinge motorul este de obicei în jur de 0,7 ori randamentul ideal (18,2%).
Exemplu de întrebare 2:
Un motor termic primește 600 Jouli de căldură (Q) la o temperatură de 300 ° C, efectuează 100 Jouli de lucru mecanic (W) și eliberează 500 J la o temperatură de 100 ° C. Determinați randamentul real și randamentul ideal (randamentul Carnot) al acestui motor...
Pembahasan
Temperatura trebuie convertită la 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:
Randamentul ideal sau eficiența unui motor termic perfect care funcționează între 300 ° C și 100 ° C este de 35%. Randamentul maxim pe care îl poate atinge motorul este de obicei în jur de 0,7 ori randamentul ideal = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J de căldură care pot fi utilizați pentru a efectua lucru mecanic).
Randamentul real al acestui motor este de 17% (doar 100 J de căldură sunt folosiți pentru a efectua lucru mecanic). Mai există aproximativ 147 J – 100 J = 47 J de căldură care pot fi folosiți pentru a efectua lucru mecanic. Ar fi bine dacă randamentul acestui motor ar putea fi crescut pentru a minimiza pierderile pe care le suportăm.
Exemplu de întrebare 3:
O mașină primește 1000 Jouli de căldură și produce 400 Jouli de lucru mecanic în fiecare ciclu. Această mașină funcționează între 500 ° C și 200 ° C. Care este randamentul real și randamentul ideal al acestei mașini?
Pembahasan
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:
Randamentul ideal al acestei mașini este:
Randamentul ideal, cunoscut și sub numele de randament Carnot, este de 40%. Randamentul real al motorului este de 60%. Un astfel de motor nu există. Este imposibil ca randamentul unui motor să depășească randamentul Carnot.
Exemplu de întrebare 4:
Pentru ca eficiența motorului Carnot să atingă 100% (1), care este temperatura de evacuare (TL ) necesară?
Pembahasan
Pentru ca eficiența unui motor termic perfect să atingă 100% (toată căldura de intrare poate fi utilizată pentru a efectua lucru mecanic), temperatura gazelor de evacuare (TL ) trebuie să fie = 0 Kelvin.
Atingerea unei temperaturi de 0 Kelvin este imposibilă. Această afirmație este a treia lege a termodinamicii.
Deoarece 0 Kelvin este imposibil de atins, un motor termic perfect nu poate avea o eficiență de 100%. Nici măcar un motor termic perfect nu poate avea o eficiență de 100%, darămite motoarele termice pe care le folosim în viața de zi cu zi.
Întrucât un motor termic nu poate obține un randament de 100%, putem concluziona că este imposibil ca toată căldura de intrare (QH ) să fie utilizată pentru a efectua lucru mecanic. Trebuie să existe o parte din căldură pierdută (QL ).
Este imposibil ca un motor termic (care funcționează într-un ciclu) să transforme toată căldura în lucru mecanic (a doua lege a termodinamicii – enunțul Kelvin-Planck).
Textul cursiv îngroșat de mai sus este o afirmație specială a celei de-a doua legi a termodinamicii. Se numește afirmație specială deoarece se aplică numai motoarelor termice. Deoarece Kelvin și Planck au formulat-o, se numește și afirmația Kelvin-Planck. Rețineți prezența cuvântului „ciclu” în afirmația de mai sus. Un ciclu este un proces care are loc în mod repetat. Deci, un motor termic funcționează continuu. Cuvântul „ciclu” este adăugat deoarece, în realitate, toată căldura poate fi transformată în lucru mecanic dacă procesul are loc o singură dată.
În prima lege a termodinamicii, au fost explicate mai multe procese termodinamice, inclusiv procesele izoterme, izobarice, izochorice și adiabatice. Într-un proces izoterm, toată căldura poate fi transformată în lucru mecanic (Q = W). Acest lucru se poate întâmpla dacă procesul are loc într-o singură etapă. Observați imaginea de mai jos:
Acest grafic prezintă un proces izoterm (expansiune izotermă) care are loc într-o singură etapă. În acest proces, toată căldura (Q) este transformată în lucru mecanic (W). Cantitatea de lucru mecanic efectuat = zona umbrită.
Pentru a fi util, un motor termic trebuie să funcționeze continuu (procesul trebuie să se desfășoare în mod repetat, nu într-o singură etapă). De exemplu, un motor cu abur cu mișcare alternativă. Pistonul dintr-un motor cu abur cu mișcare alternativă trebuie să se miște continuu spre dreapta și spre stânga, astfel încât roata să se poată roti (poate fi folosită pentru a mișca ceva). Roata nu se poate roti dacă pistonul se mișcă doar spre dreapta, după care se oprește (procesul are loc doar într-o singură etapă). Dacă procesul are loc în mod repetat (pistonul se mișcă continuu spre dreapta și spre stânga), este imposibil ca toată căldura să fie transformată în lucru mecanic (afirmația lui Kelvin-Planck). De exemplu, să luăm în considerare procesul izoterm prezentat în graficul de mai sus.
Graficul din stânga prezintă expansiunea izotermă (săgeata în jos) și compresia izotermă (săgeata în sus). Procesul are loc continuu izoterm (nu se produce lucru mecanic). Graficul din dreapta prezintă expansiunea izotermă (săgeata în jos), compresia izobarică (săgeata stânga) și procesul izocor (săgeata în sus). Din aceste două grafice, este clar că pentru procesele care au loc continuu (ciclu), există întotdeauna pierderi de căldură. Acest lucru este în conformitate cu afirmația anterioară Kelvin-Planck.
