Чланак о циклусу Карноовог мотора
Да би открио како повећати ефикасност топлотне машине, француски научник по имену Сади Карно (1796-1832) је 1824. године теоретски проучавао идеалну топлотну машину. У то време, први закон термодинамике није био формулисан, нити други закон термодинамике. Први закон није био формулисан јер научници још нису знали да је топлота енергија. Након што су Џул и његови пријатељи спровели експерименте 1830-их, научници су са сигурношћу знали само да је топлота енергија која се преноси због температурних разлика. Дакле, први закон термодинамике је формулисан после 1830. године. Сади Карно је теоретски проучавао идеалну топлотну машину 1824. године. Истраживање које је спровео је заправо имало за циљ повећање ефикасности парних машина које су биле у употреби у то време. Већина парних машина у то време била је мање ефикасна.
Циклус у идеалној топлотној машини, коју је развио Сади Карно, назива се Карноов циклус. Пре него што размотримо Карноов циклус, корисно је разумети неповратне процесе. Сваки природни процес трансформације и преноса енергије је обично неповратан. На пример, ако трљамо руке једну о другу, оне су топле. У овом случају, топлота се производи кроз рад који обављамо. Процес је неповратан. Произведена топлота не може сама да изврши рад трљањем руку једну о другу. Циљ топлотне машине је да делимично обрне овај процес, где се топлота може користити за обављање рада са највећом могућом ефикасношћу. Да би топлотна машина постигла максималну ефикасност, морамо избегавати све неповратне процесе. Природни пренос топлоте је обично неповратан, стога се улажу напори да се спречи пренос топлоте.
Када мотор прима топлоту QH на местима са високим температурама (ТH), радна супстанца у машини такође мора бити на температури THСлично томе, ако мотор одводи топлоту QL на местима са ниским температурама (ТL), радна супстанца у машини такође мора бити на температури TLДакле, сваки процес који укључује пренос топлоте мора бити изотерман (иста температура). Насупрот томе, ако је температура радне материје у мотору између ТH и ТL, не сме бити преноса топлоте између машине и места које има температуру TH (добављач топлоте) и место које има температуру ТL (одлагање). Да топлота не би излазила, процес се мора одвијати адијабатски.
Карноов циклус се заправо састоји од два реверзибилна изотермна процеса и два реверзибилна адијабатска процеса.
Слика десно приказује Карноов циклус за идеалан гас. У почетку се топлота апсорбује током изотермног ширења (а-б). Током изотермног ширења, температура гаса у цилиндру се одржава константном.
Затим, гас се адијабатски шири тако да његова температура пада са T H на T L (b-c). T H = висока температура (Висока температура), T L = ниска температура (Ниска температура). Током адијабатског ширења, топлота не улази нити излази из цилиндра. Након тога, гас се изотермно компресује (c-d). Током изотермне компресије, температура гаса се одржава константном. Затим, гас се адијабатски компресује (d-a). Пошто се адијабатски компресује, температура гаса се повећава. Температура гаса се повећава тако да се и притисак гаса повећава. Сви процеси у Карноовом циклусу су реверзибилни.
Током изотермног ширења и компресије, температура гаса се одржава константном. Циљ је да се избегну температурне разлике. Температурне разлике могу изазвати пренос топлоте (неповратан процес). Да би се догодио изотермни процес (одржавање константне температуре гаса), гас се мора полако ширити или компресовати. У стварности, ширење или компресија гаса се дешава брже. То је због турбуленције (сетите се теме динамике флуида), трења, вискозности итд. Као резултат тога, савршен изотермни процес никада неће постојати. Уместо тога, адијабатско ширење и компресија се дешавају брзо.
Циљ је спречити улазак или излазак топлоте из цилиндра. Трење, вискозност и други фактори спречавају савршено адијабатско ширење и компресију. Важно је напоменути да је Карноов мотор чисто теоретски; не постоји у нашем свакодневном животу. Иако теоретски, Карноов мотор значајно доприноси развоју термодинамике. У најмању руку, можемо идентификовати све неповратне процесе који се могу догодити током процеса и покушати да их минимизирамо, чиме се максимизира ефикасност нашег пројектованог топлотног мотора.
Веома важан резултат Карноовог мотора је да је за савршену топлотну машину примљена топлота (QH ) пропорционална температури TH , а одведена топлота (QL ) пропорционална температури TL . Дакле, корисна дејство савршене топлотне машине је:
Пример питања 1:
Парна машина ради на температури између 500 ° C и 300 ° C. Одредити идеалан степен корисне дејства (Карноов степен корисне дејства) парне машине.
Пембахасан
Температура се мора претворити у Келвинову скалу.
TH (висока температура) = 500 ° C = 500 + 273 = 773 K
TL (ниска температура) = 300 ° C = 300 + 273 = 573 K
Идеална ефикасност или степен корисности савршене топлотне машине која ради између 500 o C и 300 o C је 26%. Ако мотор који користимо у свакодневном животу ради између 500 o C и 300 o C, максимална ефикасност коју мотор може постићи је обично око 0,7 пута већа од идеалне ефикасности (18,2%).
Пример питања 2:
Топлотна машина прима 600 џула топлоте (Q) на температури од 300 o C, обавља рад од 100 џула (W) и одбацује 500 J на температури од 100 o C. Одредите стварни степен корисне снаге и идеални степен корисне снаге (Карноов степен корисне снаге) ове машине...
Пембахасан
Температура се мора 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 или степен корисности савршене топлотне машине која ради између 300 ° C и 100 ° C је 35%. Максимална ефикасност коју мотор може да постигне је обично око 0,7 пута већа од идеалне ефикасности = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J топлоте која се може искористити за обављање рада).
Стварна ефикасност овог мотора је 17% (само 100 Ј топлоте се користи за обављање рада). И даље постоји око 147 Ј – 100 Ј = 47 Ј топлоте која се може искористити за обављање рада. Било би добро када би се ефикасност овог мотора могла повећати како би се минимизирали губици које имамо.
Пример питања 3:
Машина прима 1000 џула топлоте и производи 400 џула рада у сваком циклусу. Ова машина ради између 500 ° C и 200 ° C. Колика је стварна, а која идеална ефикасност ове машине?
Пембахасан
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 је:
Идеална ефикасност, позната и као Карноова ефикасност, је 40%. Стварна ефикасност мотора је 60%. Такав мотор не постоји. Немогуће је да ефикасност мотора премаши Карноову ефикасност.
Пример питања 4:
Да би ефикасност Карноовог мотора достигла 100% (1), која је потребна температура издувних гасова (TL )?
Пембахасан
Да би ефикасност савршене топлотне машине достигла 100% (сва улазна топлота може се искористити за обављање рада), температура издувних гасова (TL ) мора бити = 0 Келвина.
Достизање температуре од 0 Келвина је немогуће. Ова тврдња је трећи закон термодинамике.
Пошто је 0 Келвина немогуће постићи, савршена топлотна машина не може имати 100% ефикасност. Чак ни савршена топлотна машина не може имати 100% ефикасност, а камоли топлотне машине које користимо у свакодневном животу.
Пошто топлотна машина не може постићи 100% ефикасност, можемо закључити да је немогуће да се сва уложена топлота (Q H ) искористи за обављање рада. Мора доћи до губитка неке топлоте (Q L ).
Немогуће је да топлотна машина (која ради у циклусу) претвори сву топлоту у рад (Други закон термодинамике – Келвин-Планкова тврдња).
Горњи текст подебљаним италиком је посебна изјава другог закона термодинамике. Назива се посебном изјавом јер се примењује само на топлотне машине. Пошто су је Келвин и Планк формулисали, назива се и Келвин-Планкова изјава. Обратите пажњу на присуство речи „циклус“ у горњој изјави. Циклус је процес који се одвија више пута. Дакле, топлотна машина ради континуирано. Реч „циклус“ је додата зато што се, у стварности, сва топлота може претворити у рад ако се процес одвија само једном.
У првом закону термодинамике објашњено је неколико термодинамичких процеса, укључујући изотермне, изобарне, изохорне и адијабатске процесе. У изотермном процесу, сва топлота се може претворити у рад (Q = W). То се може десити ако се процес одвија само у једној фази. Посматрајте слику испод:
Овај графикон приказује изотермни процес (изотермно ширење) који се одвија у једном кораку. У овом процесу, сва топлота (Q) се претвара у рад (W). Количина обављеног рада = осенчена површина.
Да би била корисна, топлотна машина мора да ради континуирано (процес се мора одвијати више пута, не само у једној фази). На пример, клипна парна машина. Клип у клипној парној машини мора се континуирано кретати десно и лево како би се точак могао окретати (може се користити за померање нечега). Точак се не може окретати ако се клип креће само удесно, након чега се зауставља (процес се одвија само у једној фази). Ако се процес одвија више пута (клип се континуирано креће десно и лево), немогуће је да се сва топлота претвори у рад (Келвин-Планкова изјава). На пример, размотримо изотермни процес приказан на горњем графикону.
График лево приказује изотермно ширење (стрелица надоле) и изотермну компресију (стрелица нагоре). Процес се одвија континуирано изотермно (не производи се рад). График десно приказује изотермно ширење (стрелица надоле), изобарну компресију (лева стрелица) и изохорни процес (стрелица нагоре). Из ова два графика је јасно да за процесе који се одвијају континуирано (циклус), увек постоји губитак топлоте. Ово је у складу са претходном Келвин-Планковом изјавом.
