Да би открио како да повећа ефикасност топлотне машине, француски научник по имену Сади Карно (1796-1832) је 1824. године испитао идеалну теоријску калоријску машину. У то време, први закон термодинамике није био формулисан, нити други закон термодинамике. Први закон није формулисан јер научници још увек не знају да је топлота енергија. Након што су Џул и његове колеге експериментисали 1830-их, научници су открили да је топлота енергија која се креће због температурних разлика. Дакле, први закон термодинамике је формулисан после 1830. године. Сади Карно је 1824. године истраживао теоријску идеалну калоријску машину. Његово истраживање је заправо имало за циљ повећање ефикасности парне машине. Већина парних машина тог времена била је мање ефикасна.
Циклус на идеалној топлотној машини коју је замислио Сади Карно назива се Карноов циклус. Пре него што смо научили Карноов циклус, поново смо разумели неповратан процес. Сваки процес промене енергије и преноса енергије одвија се неповратно. На пример, трљамо руке да би нам руке биле топле. Топлота се ствара радом који обављамо. Процес је неповратан. Топлота не може трљати руке.
Сврха топлотне машине је да обрне део овог процеса, где се топлота може искористити за обављање рада са највећом могућом ефикасношћу. Да би топлотна машина имала максималну ефикасност, морамо избегавати све неповратне процесе. Пренос топлоте је природно неповратан, тако да до кретања топлоте не би требало да долази.
Када мотор прима топлоту (QH ) на високој температури (TH ) , радни флуид у машини такође мора бити на температури T H. Слично томе, ако мотор испушта топлоту Q L на ниској температури (T L ), радни флуид у машини такође мора бити на температури T L. Дакле, сваки процес који укључује пренос топлоте мора бити изотерман (иста температура). Насупрот томе, ако је температура радног предмета у машини између T H и T L , не долази до преноса топлоте између машине са местом које има температуру T H (доводник топлоте) и подручја које има температуру T L (пражњење). Да се топлота не креће, процес се мора одвијати адијабатски.
Карноов циклус се састоји од два реверзибилна изотермна процеса и два реверзибилна адијабатска процеса.
Слика са стране приказује Карноов циклус клипа за идеалан гас. Прво, топлота се апсорбује током изотермног ширења (ab). Током изотермног ширења, температура гаса у цилиндру се одржава константном.
Затим, гас се адијабатски шири тако да температура пада са T₁ на T₁L ( bc). T₁ = висока температура, T₁ = ниска температура. Током адијабатског ширења, топлота не улази нити излази из цилиндра. Након тога, гас се изотермно притиска (cd). Током изотермног притиска, температура гаса се одржава константном. Гас се затим адијабатски притиска (da). Пошто је адијабатски потиснут, температура гаса расте. Температура гаса се повећава тако да се повећава и притисак гаса. Читав процес у Карноовом циклусу је реверзибилан.
Током изотермног ширења и изотермних пресовања, температура гаса се одржава константном. Циљ је да се избегну било какве температурне разлике. Постојање температурне разлике може изазвати пренос топлоте (неповратан процес). Да би се догодио изотермни процес (температура гаса је увек константна), гас се мора постепено ширити или компресовати. У стварности, ширење, или потискивање гаса, дешава се брже. То је због турбуленције (сетите се динамичког флуида), трења, вискозности итд. Као резултат тога, савршен изотермни процес никада неће постојати. Насупрот томе, адијабатско ширење и потискивање су брзи.
Циљ је спречити улазак топлоте у цилиндар или излазак из цилиндра. Присуство трења, вискозности итд. не изазива потпуно адијабатско ширење и нагласак. Имајте на уму да је Карноов мотор само теоретски. Карноова машина не постоји у нашим животима. Иако само теоретски, постојање Карноовог мотора је користан развој термодинамике. Може се барем знати за све неповратне процесе који се могу догодити током процеса и покушати их минимизирати како би ефикасност мотора била максимална.
Значајан резултат Карноовог мотора је савршена топлота мотора, примљена топлота (QH ) је пропорционална високој температури (TH ) , а одмрзнути издувни гасови (QL ) су пропорционални ниској температури (TL ) . Дакле, ефикасност савршене топлотне машине је:
Ово је једначина корисног дејства савршене топлотне машине.
Куестион КСНУМКС:
Парна машина ради између 500 ° C и 300 ° C. Одредити идеалан степен корисне активности (Карноов степен корисне активности) парне машине.
Решење
Температуру треба претворити у Келвинову скалу.
TH (висока температура) = 500 ° C = 500 + 273 = 773 K
TL (ниска температура) = 300 ° C = 300 + 273 = 573 K
Коефицијент корисне ефикасности савршене топлотне машине која ради између 500 °C и 300 °C је 26%. Када машине које користимо у свакодневном животу раде између 500 °C и 300 °C, максимална ефикасност коју машине могу постићи је око 0.7 пута већа од идеалне ефикасности (18.2%).
Куестион КСНУМКС:
Топлотна машина прима 600 J на температури од 300 °C, обавља рад (W) 100 џула и ослобађа 500 J на 100 °C. Одредити стварни степен корисности и идеални степен корисности (Карноов степен корисности) ове машине.
Температуру треба претворити у Келвинову скалу
T H (висока температура) = 300 ° C — 300 + 273 = 573 K
TL (ниска температура) = 100 ° C — 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
QL = 500 J
Ефикасност мотора:
Идеална ефикасност ове машине:
Коефицијент корисности савршене топлотне машине која ради између 300 °C и 100 °C је 35%. Максимални коефицијент корисности који машина може да постигне је обично око 0.7 пута већи од идеалног коефицијента корисности = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J топлоте утрошене за обављање рада).
Стварна ефикасност ове машине је 17% (само 100 Ј топлоте се користи за обављање рада). И даље се око 147 Ј – 100 Ј = 47 Ј топлоте може искористити за обављање рада.
Куестион КСНУМКС:
Машина прима 1000 џула калорија и производи 400 џула рада у сваком циклусу. Ова машина ради између 500 ° C и 200 ° C. Израчунајте стварну ефикасност и идеалну ефикасност ове машине.
Решење
T H (висока температура) = 500 ° C — 500 + 273 = 773 K
TL (ниска температура) = 200 ° C — 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
QL = 400 J
Ефикасност мотора:
Идеална ефикасност ове машине:
Карноов коефицијент корисне снаге = 40%. Стварни коефицијент корисне снаге мотора = 60%. Ова машина не постоји. Коефицијент корисне снаге машине не би могао бити већи од Карноовог коефицијента корисне снаге.
Куестион КСНУМКС:
Да би корисна ефикасност Карноовог мотора достигла 100% (1), која је потребна температура пражњења (T L )?
Решење
Да би савршена ефикасност мотора достигла 100% (сва топлота се може искористити за обављање рада), ниска температура (TL ) треба да буде 0 Келвина.
Достићи температуру од 0 Келвина је немогуће. Ова тврдња је трећи закон термодинамике.
Пошто r за сваких 0 Келвина није могуће, онда савршена топлотна машина можда нема 100% ефикасност. Пошто топлотна машина не може постићи 100% ефикасност, може се закључити да није могуће искористити сву топлоту (Q H ) за обављање рада. Мора постојати и извесна количина изгубљене топлоте (Q L ).
Не може постојати топлотна машина (која ради у циклусу) која може сву топлоту претворити у рад (Други закон термодинамике, Келвин-Планкова тврдња).
Овај графикон приказује изотермни процес (изотермно ширење) који се одвија само у једној фази. У овом процесу, сва топлота (Q) може се претворити у рад (W). Количина обављеног рада = осенчена површина.
Топлотна машина мора да ради континуирано (процес се мора понављати, не може се одвијати само у једном кораку). На пример, парна машина наизменичног типа. Клип на парној машини наизменичног типа мора се континуирано кретати десно и лево, тако да се точкови могу окретати (може се користити за померање нечега). Точкови се не могу окретати када се клип заустави управо тада (процес се одвија само у једној фази). Ако се процес одвија понављано, немогуће је да се сва топлота претвори у рад (Келвин-Планкова изјава).
График лево приказује изотермно ширење (стрелица надоле) и изотермно компресију (стрелица нагоре). Процес се одвија континуирано изотермно (не производи се рад). График десно приказује изотермни процес ширења (стрелица надоле), изобарни процес притискања (стрелица лево) и изохорски процес (стрелица нагоре). Из ова два графика се види да за континуирани процес увек постоји изгубљена топлота.
