Për të zbuluar se si të rritej efikasiteti i motorit të nxehtësisë , një shkencëtar francez i quajtur Sadi Carnot (1796-1832) shqyrtoi një makinë kalorike teorike ideale në vitin 1824. Në atë kohë, ligji i parë i termodinamikës nuk ishte formuluar ende, as ligji i dytë i termodinamikës. Ligji i parë nuk është formuluar sepse shkencëtarët ende nuk e dinë që nxehtësia është energji. Pasi Joule dhe kolegët e tij eksperimentuan në vitet 1830, shkencëtarët zbuluan se nxehtësia është energji që lëviz për shkak të ndryshimeve të temperaturës. Pra, ligji i parë i termodinamikës u formulua pas vitit 1830. Sadi Carnot kishte qenë duke hulumtuar motorin kalorik ideal teorik në vitin 1824. Hulumtimi i tij në fakt kishte për qëllim rritjen e efikasitetit të motorit me avull. Shumica e motorëve me avull të asaj kohe ishin më pak efikasë.
Cikli në motorin ideal të nxehtësisë sipas mendimit të Sadi Carnot quhet cikli Carnot. Përpara se të mësonim ciklin Carnot, e kuptuam përsëri procesin e pakthyeshëm. Çdo proces i ndryshimit dhe transferimit të energjisë ndodh në mënyrë të pakthyeshme. Për shembull, ne i fërkojmë duart në mënyrë që duart të jenë të ngrohta. Nxehtësia gjenerohet përmes punës që bëjmë. Procesi është i pakthyeshëm. Nxehtësia nuk mund t'i fërkojë duart.
Qëllimi i një motori të nxehtësisë është të përmbysë një pjesë të këtij procesi, ku nxehtësia mund të përdoret për të kryer punë me efikasitetin më të lartë të mundshëm. Që motori i nxehtësisë të ketë efikasitet maksimal, atëherë duhet të shmangim të gjitha proceset e pakthyeshme. Transferimi i nxehtësisë është natyrshëm i pakthyeshëm, kështu që lëvizja e nxehtësisë nuk duhet të ndodhë.
Kur motori merr nxehtësinë (Q- H ) në një temperaturë të lartë (T -H ), lëngu i punës në makinë duhet të jetë gjithashtu në temperaturën T- H . Në mënyrë të ngjashme, nëse motori nxjerr nxehtësinë Q- L në një temperaturë të ulët (T- L ), lëngu i punës në makinë duhet të jetë gjithashtu në temperaturën T- L . Kështu, çdo proces që përfshin transferimin e nxehtësisë duhet të jetë izotermik (e njëjta temperaturë). Anasjelltas, nëse temperatura e copës së punës në makinë është midis T- H dhe T- L , nuk ndodh transferim nxehtësie midis makinës me vendin që ka temperaturën T -H (furnizuesi i nxehtësisë) dhe zonës që ka temperaturën T- L (shkarkimi). Meqenëse nxehtësia nuk lëviz, atëherë procesi duhet të bëhet në mënyrë adiabatike.
Cikli Carnot përbëhet nga dy procese izotermale të kthyeshme dhe dy procese adiabatike të kthyeshme.
Imazhi në anë është Cikli Carnot i pistonit për një gaz ideal. Së pari, nxehtësia absorbohet gjatë zgjerimit izotermik (ab). Gjatë zgjerimit izotermik, temperatura e gazit në cilindër mbahet konstante.
Më pas, gazi zgjerohet në mënyrë adiabatike në mënyrë që temperatura të bjerë nga T H në T L (bc). T H = temperaturë e lartë, T L = temperaturë e ulët. Gjatë zgjerimit adiabatik, asnjë nxehtësi nuk hyn ose del nga cilindri. Më pas, gazi shtypet në mënyrë izotermike (cd). Gjatë shtypjes izotermike, temperatura e gazit mbahet konstante. Gazi më pas shtypet në mënyrë adiabatike (da). Meqenëse shtypet në mënyrë adiabatike, temperatura e gazit rritet. Temperatura e gazit rritet në mënyrë që edhe presioni i gazit të rritet. I gjithë procesi në ciklin Carnot është i kthyeshëm.
Gjatë zgjerimit izotermik dhe presave izotermike, temperatura e gazit mbahet konstante. Qëllimi është të shmangen çdo ndryshim temperature. Ekzistenca e ndryshimit të temperaturës mund të shkaktojë transferimin e nxehtësisë (proces i pakthyeshëm). Që të ndodhë procesi izotermik (temperatura e gazit është gjithmonë konstante), gazi duhet të zgjerohet ose të presohet gradualisht. Në realitet, zgjerimi, ose shtypja e gazit, ndodh më shpejt. Kjo për shkak të turbulencës (kujtoni materialin dinamik të lëngshëm), fërkimit, viskozitetit, etj. Si rezultat, procesi i përsosur izotermik nuk do të ekzistojë kurrë. Anasjelltas, zgjerimi dhe shtypja adiabatike janë të shpejta.
Qëllimi është të parandalohet rrjedhja e nxehtësisë në cilindër ose jashtë tij. Prania e fërkimit, viskozitetit etj., nuk shkakton zgjerim dhe theksim të plotë adiabatik. Mbani mend se motori Carnot është vetëm teorik. Makina Carnot nuk ekziston në jetën tonë. Edhe pse vetëm teorike, ekzistenca e motorit Carnot është zhvillimi i dobishëm i termodinamikës. Të paktën mund të dihet për çdo proces të pakthyeshëm që mund të ndodhë gjatë procesit dhe të bëhet një përpjekje për t'i minimizuar ato në mënyrë që efikasiteti i motorit të jetë maksimal.
Rezultati i rëndësishëm i motorit Carnot është për nxehtësinë perfekte të motorit, nxehtësia e pranuar (Q H ) është proporcionale me temperaturën e lartë (T H ), dhe shkarkimi i shkrirë (Q L ) është proporcional me temperaturën e ulët (T L ). Kështu, efikasiteti i motorit perfekt të nxehtësisë është:
Ky është ekuacioni i efikasitetit të motorit të nxehtësisë perfekte.
Pyetja 1:
Një motor me avull punon midis 500 o C dhe 300 o C. Përcaktoni efikasitetin ideal (efikasitetin Carnot) të motorit me avull.
Zgjidhje
Temperatura duhet të konvertohet në shkallën Kelvin.
T H (temperatura e lartë) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (temperaturë e ulët) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Efikasiteti i një motori të përsosur të nxehtësisë që punon midis 500 °C dhe 300 °C është 26%. Kur makinat që përdorim në jetën tonë të përditshme punojnë midis 500 °C dhe 300 °C, efikasiteti maksimal që makinat mund të arrijnë është rreth 0.7 herë efikasiteti ideal (18.2%).
Pyetja 2:
Një motor nxehtësie merr 600 J në një temperaturë prej 300 °C, kryen punë (W) 100 Xhaul dhe shkarkon 500 J në 100 °C. Përcaktoni efikasitetin aktual dhe efikasitetin ideal (efikasitetin Carnot) të kësaj makine.
Temperatura duhet të konvertohet në shkallën Kelvin
T H (temperatura e lartë) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
T L (temperatura e ulët) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
Efikasiteti i motorit:
Efikasiteti ideal i kësaj makine:
Efikasiteti i një motori të përsosur të nxehtësisë që punon midis 300 °C dhe 100 °C është 35%. Efikasiteti maksimal që makina mund të arrijë është zakonisht rreth 0.7 herë efikasiteti ideal = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J nxehtësi e përdorur për të kryer punë).
Efikasiteti aktual i kësaj makine është 17% (vetëm 100 J nxehtësi përdoret për të kryer punë). Megjithatë, rreth 147 J – 100 J = 47 J nxehtësi mund të përdoret për të kryer punë.
Pyetja 3:
Një makinë merr 1000 kalori xhaul dhe prodhon 400 xhaul punë në çdo cikël. Kjo makinë punon midis 500 o C dhe 200 o C. Llogaritni efikasitetin aktual dhe efikasitetin ideal të kësaj makine.
Zgjidhje
T H (temperatura e lartë) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
T L (temperatura e ulët) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
Efikasiteti i motorit:
Efikasiteti ideal i kësaj makine:
Efikasiteti i Carnot = 40%. Efikasiteti aktual i motorit = 60%. Kjo makinë nuk ekziston. Efikasiteti i një makine nuk mund të ketë qenë më i madh se efikasiteti i Carnot.
Pyetja 4:
Që efikasiteti i motorit Carnot të arrijë 100% (1), cila është temperatura e kërkuar e shkarkimit (TL )?
Zgjidhje
Që efikasiteti perfekt i motorit të arrijë 100% (e gjithë nxehtësia mund të përdoret për të kryer punë), atëherë temperatura e ulët (TL ) duhet të jetë 0 Kelvin.
Të arrish temperaturën 0 të Kelvinit është e pamundur. Ky pohim është ligji i tretë i termodinamikës.
Meqenëse r për çdo 0 Kelvin nuk është i mundur, atëherë motori perfekt i nxehtësisë mund të mos ketë efikasitet 100%. Meqenëse një efikasitet 100% nuk mund të arrihet nga motori i nxehtësisë, mund të konkludohet se nuk është e mundur të përdoret e gjithë nxehtësia (Q H ) për të kryer punë. Duhet të ketë një sasi të caktuar nxehtësie të humbur (Q L ).
Nuk mund të ketë asnjë motor nxehtësie (që punon në një cikël) që mund ta shndërrojë të gjithë nxehtësinë në punë (ligji i dytë i termodinamikës, pohimi i Kelvin-Planck).
Ky grafik tregon procesin izotermik (zgjerimin izotermik) që ndodh vetëm në një fazë. Në këtë proces, e gjithë nxehtësia (Q) mund të shndërrohet në punë (W). Sasia e punës së kryer = sipërfaqja e hijëzuar.
Motori i nxehtësisë duhet të punojë vazhdimisht (procesi duhet të ndodhë në mënyrë të përsëritur, nuk mund të ndodhë vetëm në një hap). Për shembull, një motor me avull i tipit alternativ. Pistoni në një motor me avull alternativ duhet të lëvizë djathtas dhe majtas vazhdimisht, në mënyrë që rrotat të mund të rrotullohen (mund të përdoren për të lëvizur diçka). Rrotat nuk mund të rrotullohen kur pistoni lëviz për të ndaluar djathtas atëherë (procesi ndodh vetëm në një fazë). Nëse procesi ndodh në mënyrë të përsëritur, është e pamundur që e gjithë nxehtësia të shndërrohet në punë (pohimi i Kelvin-Planck).
Grafiku në të majtë tregon një zgjerim izotermik (shigjeta poshtë) dhe një kompresim izotermik (shigjeta lart). Procesi ndodh vazhdimisht në mënyrë izotermike (nuk prodhohet punë). Grafiku në të djathtë është një proces zgjerimi izotermik (shigjeta poshtë), një proces presimi izobarik (shigjeta majtas) dhe një proces izokorik ( shigjeta lart). Nga këto dy grafikë, duket se për një proces të vazhdueshëm, gjithmonë ka një humbje të nxehtësisë.
