Kutenderera kweinjini yeCarnot

Chinyorwa pamusoro peCarnot Injini Kutenderera

Kuti awane nzira yekuwedzera kushanda zvakanaka kweinjini yekupisa, musayendisiti wekuFrance anonzi Sadi Carnot (1796-1832) akadzidza injini yekupisa yakakodzera muna 1824. Panguva iyoyo, mutemo wekutanga wethermodynamics wakanga usati wagadzirwa, kana mutemo wechipiri wethermodynamics. Mutemo wekutanga wakanga usati wagadzirwa nekuti masayendisiti vakanga vasati vaziva kuti kupisa isimba. Mushure mekunge Joule neshamwari dzake vaita ongororo muma1830, masayendisiti aingoziva chete kuti kupisa isimba rinopfuudzwa nekuda kwekusiyana kwekupisa. Saka mutemo wekutanga wethermodynamics wakagadzirwa mushure ma1830. Sadi Carnot akanga adzidza injini yekupisa yakakodzera muna 1824. Tsvagiridzo yaakaita yaive yekuwedzera kushanda kwemainjini emhepo aitoshandiswa panguva iyoyo. Mainjini mazhinji emhepo panguva iyoyo akanga asina kushanda zvakanaka.

Kutenderera muinjini yekupisa yakakodzera, yakagadzirwa naSadi Carnot, kunonzi kutenderera kweCarnot. Usati waongorora kutenderera kweCarnot, zvinobatsira kunzwisisa maitiro asingadzoreki. Maitiro ese anoitika ekushanduka kwesimba uye kutamiswa kwesimba anowanzo gadziriswa. Semuenzaniso, kana tikakwiza maoko edu pamwe chete, anonzwa achidziya. Muchiitiko ichi, kupisa kunogadzirwa kuburikidza nebasa ratinoita. Maitiro acho haadzoreki. Kupisa kunogadzirwa hakugone kuita basa rega nekukwiza maoko edu pamwe chete. Chinangwa cheinjini yekupisa ndechekudzosera shure maitiro aya zvishoma, uko kupisa kunogona kushandiswa kuita basa nekushanda kwakanakisa. Kuti injini yekupisa iwane kushanda kwakawanda, tinofanira kudzivirira maitiro ese asingadzoreki. Kutamiswa kwekupisa kunoitika zvakasikwa kunowanzo gadziriswa, saka kuedza kunoitwa kudzivirira kutamiswa kwekupisa.

Kana injini yapisa Q_H munzvimbo dzine tembiricha yakakwira (T_H), chinhu chinoshanda mumuchina chinofanirawo kunge chiri patembiricha T_HSaizvozvowo, kana injini ikabvisa kupisa Q_L munzvimbo dzine tembiricha yakaderera (T_L), chinhu chinoshanda mumuchina chinofanirawo kunge chiri patembiricha T_LSaka maitiro ese anosanganisira kutamiswa kwekupisa anofanira kunge ari isothermal (tembiricha yakafanana). Kusiyana neizvi, kana tembiricha yechinhu chinoshanda muinjini iri pakati peT_H uye T_L, hapafanirwe kuve nekuchinjana kwekupisa pakati pemuchina nenzvimbo ine tembiricha T_H (mupi wekupisa) uye nzvimbo ine tembiricha T_L (kuraswa). Kuti kupisa kusabude, maitiro acho anofanira kuitwa nekukurumidza.

Kutenderera kweCarnot kunoumbwa nemaitiro maviri e isothermal anodzoreka uye maitiro maviri e adiabatic anodzoreka.

Mufananidzo uri kurudyi unoratidza kutenderera kweCarnot kuti pave negasi rakakodzera. Pakutanga, kupisa kunonyudzwa panguva yekuwedzera kwemafuta (a-b). Munguva yekuwedzera kwemafuta (isothermal expansion), tembiricha yegesi iri mu cylinder inochengetwa yakafanana.

Tevere, gasi rinokura nekukurumidza zvekuti tembiricha yaro inoderera kubva paT_H iva T_L (b‐c). T_H = tembiricha yakakwira (Tembiricha yakakwira), T_L = tembiricha yakaderera. Munguva yekuwedzera kweadiabatic, hapana kupisa kunopinda kana kubuda mu cylinder. Mushure meizvozvo, gasi rinomanikidzwa isothermally (c-d). Munguva yekumanikidzwa kwe isothermal, tembiricha yegasi inochengetwa yakafanana. Tevere, gasi rinomanikidzwa adiabatically (d-a). Nekuti rinomanikidzwa adiabatically, tembiricha yegasi inowedzera. Tembiricha yegasi inowedzera zvekuti kumanikidzwa kwegasi kunowedzerawo. Maitiro ese ari muCarnot cycle anogona kudzoserwa.

Munguva yekuwedzera nekudzvanywa kwemhepo inopisa, tembiricha yegesi inochengetwa yakafanana. Chinangwa ndechekudzivirira kusiyana kwetembiricha. Kusiyana kwetembiricha kunogona kukonzera kutamiswa kwekupisa (maitiro asingadzoreki). Kuti maitiro ekupisa inopisa aitike (kuchengetedza tembiricha yegesi yakafanana), gasi rinofanira kuwedzerwa kana kudzvanywa zvishoma nezvishoma. Muchokwadi, kuwedzera kana kudzvanywa kwegasi kunoitika nekukurumidza. Izvi zvinokonzerwa nekutenderera (yeuka musoro wekuchinja kwemvura), kukweshana, viscosity, nezvimwewo. Nekuda kweizvozvo, maitiro ekupisa akakwana haazombovipo. Pane kudaro, kuwedzera nekudzvanywa kweadiabatic kunoitika nekukurumidza.

Chinangwa ndechekudzivirira kupisa kuti kusapinde kana kubuda mu cylinder. Kukweshana, viscosity, nezvimwe zvinhu zvinodzivirira kuwedzera kwakakwana kwe adiabatic uye kudzvanywa. Zvakakosha kuziva kuti injini yeCarnot ndeyedzidziso chete; haipo muhupenyu hwedu hwezuva nezuva. Kunyangwe iri yedzidziso, injini yeCarnot inobatsira zvikuru mukukura kwe thermodynamics. Zvirinani, tinogona kuona chero maitiro asingadzoreki anogona kuitika panguva yekushanda uye kuedza kuaderedza, nokudaro tichiwedzera kushanda kweinjini yedu yekupisa yakagadzirwa.

Mhedzisiro yakakosha yeinjini yeCarnot ndeyekuti kuti injini yekupisa ive yakakwana, Heat yakagamuchira (Q)._H) inoenderana netembiricha T_H uye kupisa kwakaburitswa (Q_L) inoenderana netembiricha T_LSaka, kushanda zvakanaka kweinjini yekupisa yakakwana ndekwekuti:

Muenzaniso wemubvunzo wechi1:

Injini yemhepo inoshanda pakati pekupisa kwe500 ^oC na300 ^oC. Sarudza kushanda zvakanaka kweinjini yesteam (Carnot efficiency).

Kukurukurirana

Tembiricha inofanira kuchinjwa kuita Kelvin scale.

T_H (kupisa kwakanyanya) = 500 ^oC = 500 + 273 = 773 K

T_L (tembiricha yakaderera) = 300 ^oC = 300 + 273 = 573 K

Kushanda zvakanaka kana kushanda zvakanaka kweinjini yekupisa yakakwana inoshanda pakati pekupisa kwe500 ^oC na300 ^oC i26%. Kana michina yatinoshandisa muhupenyu hwezuva nezuva ichishanda pakati petembiricha ye500 ^oC na300 ^oC, kushanda nesimba kwakanyanya kunogona kuitwa neinjini kunowanzova kanenge ka0,7 kupfuura kushanda zvakanaka kwakakodzera (18,2%).

Muenzaniso wemubvunzo wechi2:

Injini yekupisa inogamuchira maJoules mazana matanhatu ekupisa (Q) patembiricha ye300 ^oC, inoshanda (W) ye100 Joules uye inobvisa 500 J patembiricha ye100 ^oC. Sarudza kushanda zvakanaka uye kushanda zvakanaka kwakakodzera (kushanda zvakanaka kweCarnot) kweinjini iyi…

Kukurukurirana

Tembiricha inofanira kuchinjwa kuita Kelvin scale.

T_H (kupisa kwakanyanya) = 300 ^oC-‐‐ 300 + 273 = 573 K

T_L (tembiricha yakaderera) = 100 ^oC-‐‐ 100 + 273 = 373 K

Q_H = 600 J

Q_L = 500 J

Kushanda zvakanaka kweinjini:

Kushanda zvakanaka kana kushanda zvakanaka kweinjini yekupisa yakakwana inoshanda pakati pekupisa kwe300 ^oC na100 ^oC i35%. Kushanda kwakanyanya kunogona kuitwa nemuchina kunowanzoita ka0,7 pane kushanda kwakakodzera = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J yekupisa kunogona kushandiswa kuita basa).

Kushanda zvakanaka kweinjini iyi i17% (100 J chete ndiyo inoshandiswa pakuita basa). Kuchine angangoita 147 J – 100 J = 47 J yekupisa inogona kushandiswa pakuita basa. Zvingava zvakanaka kana kushanda zvakanaka kweinjini iyi kwakawedzerwa kuderedza kurasikirwa kwatinowana.

Muenzaniso wemubvunzo wechi3:

Injini inogamuchira maJoules zana ekupisa uye inogadzira maJoules mazana mana ekushanda mudenderedzwa rega rega. Injini inoshanda pakati pe500 ^oC na200 ^oC. Chii chinonzi kushanda zvakanaka uye kushanda zvakanaka kwemuchina uyu?

Kukurukurirana

T_H (kupisa kwakanyanya) = 500 ^oC-‐‐ 500 + 273 = 773 K

T_L (tembiricha yakaderera) = 200 ^oC-‐‐ 200 + 273 = 473 K

Q_H = 1000 J

Q_L = 400 J

Kushanda zvakanaka kweinjini:

Kushanda zvakanaka kwemuchina uyu ndekwekuti:

Kushanda zvakanaka kweinjini, kunozivikanwawo seCarnot efficiency, i40%. Kushanda zvakanaka kweinjini ndeye 60%. Hakuna injini yakadaro. Hazvigoneki kuti kushanda zvakanaka kweinjini kupfuure kushanda zvakanaka kweCarnot.

Muenzaniso wemubvunzo wechi4:

Kuti injini yeCarnot ishande zvakanaka kusvika 100% (1), tembiricha yekubuda kwemhepo inobuda (T) chii?_L) chinodiwa?

Kukurukurirana

Kuti injini yekupisa ishande zvakanaka isvike 100% (kupisa kwese kunogona kushandiswa kuita basa), tembiricha yekubuda kwemhepo (T)_L) inofanira = 0 Kelvin.

Kusvika patembiricha ye0 Kelvin hazvigoneke. Chirevo ichi ndicho mutemo wechitatu wethermodynamics.

Nekuti injini yekupisa yakakwana haigone kushanda zvakanaka zvizere. Kunyangwe injini yekupisa yakakwana haigone kushanda zvakanaka zvizere, tisingatauri nezve injini dzekupisa dzatinoshandisa muhupenyu hwezuva nezuva.

Nekuti injini yekupisa haigone kushanda zvakanaka 100%, tinogona kugumisa kuti hazvigoneke kuti kupisa kwese (Q) kuchinjwe kuita_H) inoshandiswa kuita basa. Panofanira kunge paine kupisa kwakarasika (Q_L).

Hazvigoneki kuti injini yekupisa (inoshanda mudenderedzwa) ishandure kupisa kwese kuita basa (Mutemo wechipiri wethermodynamics - chirevo chaKelvin-Planck).

Rugwaro rwakanyorwa nemabhii matema pamusoro apa chirevo chakakosha chemutemo wechipiri wethermodynamics. Chinonzi chirevo chakakosha nekuti chinoshanda chete kumainjini ekupisa. Nekuti Kelvin naPlanck ndivo vakachigadzira, chinonziwo chirevo chaKelvin-Planck. Cherechedza kuvapo kweshoko rekuti "cycle" muchirevo chiri pamusoro. Kutenderera inzira inoitika kakawanda. Saka, injini yekupisa inoshanda nguva dzose. Izwi rekuti "cycle" rinowedzerwa nekuti, muchokwadi, kupisa kwese kunogona kushandurwa kuita basa kana maitiro acho akaitika kamwe chete.

Mumutemo wekutanga wethermodynamics, maitiro akati wandei ethermodynamic akatsanangurwa, anosanganisira maitiro e isothermal, isobaric, isochoric, uye adiabatic. Mumaitiro e isothermal, kupisa kwese kunogona kushandurwa kuita basa (Q = W). Izvi zvinogona kuitika kana maitiro acho akaitika muchikamu chimwe chete. Tarisa mufananidzo uri pazasi:

Girafu iri rinoratidza maitiro e-isothermal (kuwedzera kwe-isothermal) anoitika nedanho rimwe chete. Mukuita uku, kupisa kwese (Q) kunoshandurwa kuita basa (W). Huwandu hwebasa rinoitwa = nzvimbo ine mumvuri.

Kuti injini yekupisa ishande zvakanaka, inofanira kushanda nguva dzose (maitiro acho anofanira kuitika kakawanda, kwete nhanho imwe chete). Semuenzaniso, injini yekupisa inodzokororwa. Piston iri muinjini yekupisa inodzokororwa inofanira kufamba nguva dzose kurudyi nekuruboshwe kuitira kuti vhiri rigone kutenderera (izvo zvinogona kushandiswa kufambisa chimwe chinhu). Vhiri harigone kutenderera kana piston ichingotenderera chete. Inofamba kurudyi chete, mushure mezvo inomira (maitiro acho anongoitika padanho rimwe chete). Kana maitiro acho achiitika kakawanda (piston inofamba kurudyi nekuruboshwe nguva dzose), hazvigoneke kuti kupisa kwese kuchinjwe kuita basa (chirevo chaKelvin-Planck). Semuenzaniso, ngatifungei nezvemaitiro e-isothermal anoratidzwa mugirafu iri pamusoro.

Girafu riri kuruboshwe rinoratidza kuwedzera kwemafuta (museve wepasi) uye kudzvanywa kwemafuta (museve wekumusoro). Maitiro acho anoitika nguva dzose ari isothermal (hapana basa rinogadzirwa). Girafu riri kurudyi rinoratidza kuwedzera kwemafuta (museve wepasi), kudzvanywa kwemafuta (museve wekuruboshwe), uye maitiro emafuta (museve wekumusoro). Kubva pamagirafu maviri aya, zviri pachena kuti kune maitiro anoitika nguva dzose (kutenderera), pane kurasikirwa nekupisa nguva dzose. Izvi zvinoenderana nezvakataurwa naKelvin-Planck.