Tusitusiga e uiga i le Ta'amilosaga o le Afifi a Carnot
Ina ia iloa pe faʻapefea ona faʻateleina le lelei o le afi vevela, na suʻesuʻeina e se saienitisi Falani e igoa ia Sadi Carnot (1796-1832) se afi vevela lelei atoatoa i le 1824. I lena taimi, e leʻi faʻatulagaina le tulafono muamua o le thermodynamics, poʻo le tulafono lona lua o le thermodynamics. E leʻi faʻatulagaina le tulafono muamua aua e leʻi iloa e saienitisi o le vevela o le malosi. Ina ua maeʻa ona faia e Joule ma ana uo ni faʻataʻitaʻiga i le 1830s, na o le mautinoa na iloa e saienitisi o le vevela o le malosi lea e faʻaliliuina ona o eseesega o le vevela. O lea na faʻatulagaina ai le tulafono muamua o le thermodynamics ina ua mavae le 1830. Na suʻesuʻeina e Sadi Carnot se afi vevela lelei atoatoa i le 1824. O le suʻesuʻega na ia faia o le faʻateleina lea o le lelei o afi ausa sa faʻaaogaina i lena taimi. O le tele o afi ausa i lena taimi e le lelei tele.
O le taamilosaga i totonu o se afi vevela lelei atoatoa, lea na atiae e Sadi Carnot, ua ta'ua o le taamilosaga Carnot. A'o le'i toe iloiloina le taamilosaga Carnot, e fesoasoani le malamalama i faiga e le mafai ona toe fa'afo'isia. O faiga masani uma o le suiga ma le fesiitaiga o le malosi e masani lava e le mafai ona toe fa'afo'isia. Mo se fa'ata'ita'iga, afai tatou te milimili o tatou lima fa'atasi, e lagona le mafanafana. I lenei tulaga, e maua le vevela e ala i galuega tatou te faia. E le mafai ona toe fa'afo'isia le faiga. E le mafai e le vevela e maua ona faia le galuega na o ia e ala i le milimili o o tatou lima fa'atasi. O le sini o se afi vevela o le fa'aliliuina lea o lenei faiga, lea e mafai ai ona fa'aaogaina le vevela e fa'atino ai galuega ma le sili ona lelei e mafai ai. Mo se afi vevela ina ia ausia le sili ona lelei, e tatau ona tatou 'alo'ese mai faiga uma e le mafai ona toe fa'afo'isia. O le fesiitaiga o le vevela masani e masani lava e le mafai ona toe fa'afo'isia, o lea e faia ai taumafaiga e puipuia ai le fesiitaiga o le vevela.
A fa'avevela le afi QH i nofoaga e maualuga le vevela (TH), e tatau fo'i ona i ai le vevela T o le mea o lo'o galue ai i totonu o le masiniH. E fa'apena fo'i, afai e aveese e le afi le vevela QL i nofoaga e maualalo le vevela (TL), e tatau fo'i ona i ai le vevela T o le mea o lo'o galue ai i totonu o le masiniL. O lea la, o faiga uma e aofia ai le fesiitaiga o le vevela e tatau ona isothermal (tutusa le vevela). I se isi itu, afai o le vevela o le mea galue i totonu o le afi e i le va o le TH ma le TL, e le tatau ona i ai se fesiitaiga o le vevela i le va o le masini ma se nofoaga e iai le vevela TH (mea e tu'uina atu le vevela) ma se nofoaga e iai le vevela TL (lafoa'iina). Ina ia 'aua ne'i alu ese le vevela, e tatau ona fa'atinoina le fa'agasologa e aunoa ma se vai.
O le taamilosaga Carnot e aofia ai ni faiga isothermal e lua e mafai ona toe faʻafoʻisia ma ni faiga adiabatic e lua e mafai ona toe faʻafoʻisia.
O le ata i le taumatau o loʻo faʻaalia ai le taʻamilosaga Carnot mo se kasa lelei. I le amataga, e mitiia le vevela i le taimi o le faʻalauteleina isothermal (a-b). I le taimi o le faʻalauteleina isothermal, e tumau pea le vevela o le kasa i totonu o le silini.
Sosoo ai, e fa’alauteleina le kesi i se auala adiabatic ina ia pa’ū lona vevela mai le T H i le T L (b-c). T H = vevela maualuga (Vevela maualuga), T L = vevela maualalo (Vevela maualalo). I le taimi o le fa’alauteleina adiabatic, e leai se vevela e ulufale pe alu ese mai le silini. A mae’a lena, e fa’apipi’i le kesi i se auala isothermal (c-d). I le taimi o le fa’apipi’i isothermal, e tumau pea le vevela o le kesi. Sosoo ai, e fa’apipi’i le kesi i se auala adiabatic (d-a). Talu ai ona fa’apipi’i adiabatically, e fa’ateleina ai le vevela o le kesi. E fa’ateleina le vevela o le kesi ina ia fa’ateleina ai fo’i le mamafa o le kesi. O faiga uma i le ta’amilosaga Carnot e mafai ona toe fa’afo’isia.
I le taimi o le fa'alauteleina ma le fa'apipi'iina o le isothermal, e tumau pea le vevela o le kesi. O le sini ia 'alofia le eseesega o le vevela. E mafai e eseesega o le vevela ona mafua ai le fesiita'iga o le vevela (o se faiga e le toe mafai ona toe fa'afo'isia). Ina ia tupu se faiga isothermal (tausia le tumau o le vevela o le kesi), e tatau ona fa'alauteleina pe fa'apipi'i malie le kesi. O le mea moni, e vave tele ona tupu le fa'alauteleina po'o le fa'apipi'iina o le kesi. E mafua lea i le turbulence (manatua le autu o le fluid dynamics), friction, viscosity, ma isi mea fa'apena. O le i'uga, o le a leai lava se faiga isothermal atoatoa. Nai lo lena, e vave ona tupu le fa'alauteleina ma le fa'apipi'iina o le adiabatic.
O le sini autū o le taofia lea o le vevela mai le tafe atu i totonu po o fafo o le silini. O le fete’ena’iga, le mafiafia, ma isi mea e taofia ai le fa’alauteleina ma le fa’apipi’iina atoatoa o le adiabatic. E taua le maitauina o le afi Carnot e na’o le fa’ataoto; e le o iai i o tatou olaga i aso uma. E ui o le fa’ataoto, ae o le afi Carnot e tele sona sao i le atina’eina o le thermodynamics. I le mea aupito itiiti lava, e mafai ona tatou iloa so’o se faiga e le mafai ona toe fa’afo’isia e ono tutupu i le taimi o le faiga ma taumafai e fa’aitiitia, ma fa’ateleina ai le lelei o la tatou afi vevela ua mamanuina.
O se taunuuga taua tele o le afi Carnot o le mo se afi vevela atoatoa, o le vevela e maua (Q₂H₃ ) e tutusa ma le vevela T₂H₃ ma le vevela e teena (Q₂L₃ ) e tutusa ma le vevela T₂L₃ . O lea la, o le lelei o se afi vevela atoatoa e:
Fa'ata'ita'iga fesili 1:
E galue se afi ausa i le va o le 500 ° C ma le 300 ° C. Fuafua le lelei atoatoa o le fa'aaogaina (Carnot efficiency) o le afi ausa.
Talanoaga
E tatau ona liua le vevela i le fua o le Kelvin.
T H (vevela maualuga) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (vevela maualalo) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
O le lelei atoatoa po'o le fa'atinoga lelei o se afi vevela atoatoa e fa'agaoioia i le va o le 500 o C ma le 300 o C e 26%. Afai o le afi tatou te fa'aaogaina i aso faisoo e fa'agaoioia i le va o le 500 o C ma le 300 o C, o le lelei aupito maualuga e mafai ona ausia e le afi e masani lava e tusa ma le 0,7 taimi o le lelei atoatoa (18,2%).
Fa'ata'ita'iga fesili 2:
E maua e se afi vevela le 600 Joules o le vevela (Q) i le vevela o le 300 o C, faia le 100 Joules o le galuega (W) ma teena le 500 J i le vevela o le 100 o C. Fuafua le lelei moni ma le lelei atoatoa (Carnot efficiency) o lenei afi...
Talanoaga
E tatau ona liua le vevela i le fua o le Kelvin.
T H (vevela maualuga) = 300 o C ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
T L (vevela maualalo) = 100 o C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
QL = 500 J
Lelei o le afi:
O le lelei atoatoa po'o le fa'atinoga lelei o se afi vevela atoatoa e fa'agaoioia i le va o le 300 o C ma le 100 o C e 35%. O le lelei aupito maualuga e mafai ona ausia e le afi e masani lava pe tusa ma le 0,7 taimi o le lelei atoatoa = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J o le vevela e mafai ona fa'aaogaina e fai ai galuega).
O le aoga moni o lenei afi e 17% (e na'o le 100 J o le vevela e fa'aaogaina e fai ai galuega). E tusa ma le 147 J – 100 J = 47 J o le vevela e mafai ona fa'aaogaina e fai ai galuega. E lelei pe a mafai ona fa'ateleina le aoga o lenei afi e fa'aitiitia ai mea e leiloa.
Fa'ata'ita'iga fesili 3:
E maua e se masini le 1000 Joules o le vevela ma gaosia ai le 400 Joules o le galuega i taamilosaga taʻitasi. E galue lenei masini i le va o le 500 o C ma le 200 o C. O le a le lelei moni ma le lelei atoatoa o lenei masini?
Talanoaga
T H (vevela maualuga) = 500 o C ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
T L (vevela maualalo) = 200 o C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
QL = 400 J
Lelei o le afi:
O le lelei atoatoa o le fa'aaogaina o lenei masini e:
O le lelei atoatoa, e ta'ua fo'i o le lelei atoatoa o le Carnot, e 40%. O le lelei atoatoa moni o le afi e 60%. E leai se afi fa'apena. E le mafai ona sili atu le lelei atoatoa o se afi nai lo le lelei atoatoa o le Carnot.
Fa'ata'ita'iga fesili 4:
Ina ia oʻo atu le lelei o le afi Carnot i le 100% (1), o le a le vevela o le paipa e alu ese ai le suauʻu (TL ) e manaʻomia?
Talanoaga
Ina ia oʻo atu le lelei o le afi vevela atoatoa i le 100% (e mafai ona faʻaaogaina le vevela uma e ulufale mai e fai ai galuega), e tatau ona = 0 Kelvin le vevela o le kasa e alu ese ai le afi (TL ).
E lē mafai ona oʻo atu i le vevela o le 0 Kelvin. O lenei faʻamatalaga o le tulafono lona tolu lea o le thermodynamics.
Ona e lē mafai ona ausia le 0 Kelvin, e lē mafai e se afi vevela atoatoa ona iai le 100% lelei atoatoa. E oʻo lava i se afi vevela atoatoa e lē mafai ona iai le 100% lelei atoatoa, aemaise lava afi vevela tatou te faʻaaogaina i aso uma.
Talu ai e le mafai e se afi vevela ona ausia le 100% lelei, e mafai ona tatou faaiʻuina e le mafai ona faʻaaogaina uma le vevela e ulufale mai (Q₂H₃ ) e fai ai galuega. E tatau ona i ai sina vevela e leiloa (Q₂L₃ ).
E lē mafai e se afi vevela (o loʻo galue i se taʻamilosaga) ona liua uma le vevela i le galuega (Tulafono lona lua o le thermodynamics - faʻamatalaga Kelvin-Planck).
O le tusitusiga mata'utia ua fa'atusilima i luga o se fa'amatalaga fa'apitoa o le tulafono lona lua o le thermodynamics. Ua ta'ua o se fa'amatalaga fa'apitoa aua e na'o afi vevela e fa'atatau i ai. Talu ai na fa'atulaga e Kelvin ma Planck, ua ta'ua fo'i o le fa'amatalaga Kelvin-Planck. Mātau le iai o le upu "ta'amilosaga" i le fa'amatalaga o lo'o i luga. O le ta'amilosaga o se fa'agasologa e tupu soo. O lea la, e galue pea lava pea se afi vevela. Ua fa'aopoopoina le upu "ta'amilosaga" aua, o le mea moni, e mafai ona liua uma le vevela i le galuega pe afai e na'o le fa'atasi ona tupu le fa'agasologa.
I le tulafono muamua o le thermodynamics, na faʻamatalaina ai ni faiga thermodynamic, e aofia ai faiga isothermal, isobaric, isochoric, ma adiabatic. I se faiga isothermal, e mafai ona liua le vevela uma i le galuega (Q = W). E mafai ona tupu lenei mea pe afai e naʻo le tasi le laasaga e tupu ai le faiga. Matau le ata o loʻo i lalo:
O lenei kalafi o loʻo faʻaalia ai se faiga isothermal (faʻalauteleina isothermal) e tupu i le laʻasaga e tasi. I lenei faiga, o le vevela uma (Q) e liua i le galuega (W). O le aofaʻi o galuega e faia = le vaega ua faʻalanuina.
Ina ia aoga, e tatau ona fa'aauau pea ona galue se afi vevela (e tatau ona faia soo le faagasologa, ae le na'o le tasi le laasaga). Mo se fa'ata'ita'iga, o se afi ausa fe'avea'i. O le piston i totonu o se afi ausa fe'avea'i e tatau ona gaoioi pea i le taumatau ma le agavale ina ia mafai ai ona fe'avea'i le uili (e mafai ona fa'aaogaina e fa'agaoioi ai se mea). E le mafai ona fe'avea'i le uili pe afai e na'o le fe'avea'i o le piston i le taumatau, a mae'a lena ona taofi lea (e na'o le tasi le laasaga e tupu ai le faagasologa). Afai e faia soo le faagasologa (e fe'avea'i pea le piston i le taumatau ma le agavale), e le mafai ona liua uma le vevela i galuega (fa'amatalaga a Kelvin-Planck). Mo se fa'ata'ita'iga, se'i o tatou mafaufau i le faagasologa isothermal o lo'o fa'aalia i le kalafi i luga.
O le kalafi i le agavale o loʻo faʻaalia ai le faʻalauteleina isothermal (faʻailoga i lalo) ma le faʻapipiʻiina isothermal (faʻailoga i luga). O le faʻagasologa e faʻaauau pea ona faia i le isothermal (e leai se galuega e faia). O le kalafi i le taumatau o loʻo faʻaalia ai le faʻalauteleina isothermal (faʻailoga i lalo), faʻapipiʻiina isobaric (faʻailoga i le agavale), ma le faʻagasologa isochoric (faʻailoga i luga). Mai nei kalafi e lua, e manino lava mo faʻagasologa e faʻaauau pea ona faia (taamilosaga), e iai lava le leiloa o le vevela. E ogatasi lea ma le faʻamatalaga muamua a Kelvin-Planck.
