Барои фаҳмидани он ки чӣ гуна самаранокии муҳаррики гармиро зиёд кардан мумкин аст, олими фаронсавӣ бо номи Сади Карно (1796-1832) соли 1824 як мошини назариявии идеалии калориянокиро таҳқиқ кард. Дар он вақт, қонуни якуми термодинамика ва қонуни дуюми термодинамика таҳия нашуда буданд. Қонуни аввал таҳия нашудааст, зеро олимон ҳанӯз намедонанд, ки гармӣ энергия аст. Пас аз он ки Ҷоул ва ҳамкоронаш дар солҳои 1830 таҷриба карданд, олимон кашф карданд, ки гармӣ энергияест, ки аз сабаби фарқияти ҳарорат ҳаракат мекунад. Пас, қонуни якуми термодинамика пас аз соли 1830 таҳия шудааст. Сади Карно соли 1824 муҳаррики назариявии идеалии калориянокиро таҳқиқ мекард. Таҳқиқоти ӯ дар асл ба баланд бардоштани самаранокии муҳаррики буғӣ равона шуда буд. Аксари муҳаррикҳои буғии он замон самаранокии камтар доштанд.
Давраи муҳаррики гармии идеалии андешаи Сади Карно сикли Карно номида мешавад. Пеш аз омӯхтани сикли Карно, мо раванди бебозгаштро бори дигар дарк кардем. Ҳар як раванди тағйири энергия ва интиқоли энергия бебозгашт рух медиҳад. Масалан, мо дастҳоро мемолем, то дастҳо гарм бошанд. Гармӣ тавассути кори анҷомдодаамон ба вуҷуд меояд. Ин раванд бебозгашт аст. Гармӣ наметавонад дастҳоро молад.
Мақсади муҳаррики гармӣ баръакс кардани қисме аз ин раванд аст, ки дар он гармиро барои иҷрои кор бо самаранокии баландтарин истифода бурдан мумкин аст. Барои он ки муҳаррики гармӣ самаранокии ҳадди аксар дошта бошад, мо бояд аз ҳама равандҳои бебозгашт канорагирӣ кунем. Интиқоли гармӣ табиатан бебозгашт аст, то ҳаракати гармӣ набояд рух диҳад.
Вақте ки муҳаррик гармиро (QH ) дар ҳарорати баланд (TH ) мегирад , моеъи корӣ дар мошин низ бояд дар ҳарорати TH бошад . Ба ҳамин монанд, агар муҳаррик гармии QL-ро дар ҳарорати паст (TL) ихроҷ кунад , моеъи корӣ дар мошин низ бояд дар ҳарорати TL бошад . Ҳамин тариқ, ҳама гуна раванде, ки интиқоли гармиро дар бар мегирад, бояд изотермикӣ (ҳамон ҳарорат) бошад. Баръакс, агар ҳарорати қисми корӣ дар мошин байни TH ва TL бошад , байни мошине , ки ҷое ҳарорати TH дорад (таъминкунандаи гармӣ) ва минтақае, ки ҳарорати TL дорад (резиши барқ), интиқоли гармӣ ба амал намеояд . Барои он ки гармӣ ҳаракат накунад, пас раванд бояд ба таври адиабатӣ анҷом дода шавад.
Давраи Карно аз ду раванди изотермии баргарданда ва ду раванди адиабатии баргарданда иборат аст.
Тасвири дар паҳлӯ буда Давраи поршении Карно барои гази идеалӣ мебошад. Аввалан, гармӣ ҳангоми васеъшавии изотермӣ (ab) ҷаббида мешавад. Ҳангоми васеъшавии изотермӣ, ҳарорати газ дар силиндр доимӣ нигоҳ дошта мешавад.
Сипас, газ ба таври адиабатӣ васеъ мешавад, то ки ҳарорат аз TH то TL (bc) паст шавад . TH = ҳарорати баланд , TL = ҳарорати паст. Ҳангоми васеъшавии адиабатӣ, гармӣ ба силиндр ворид ё хориҷ намешавад. Пас аз он, газ изотермикӣ пахш карда мешавад (cd). Ҳангоми пахшкунии изотермӣ, ҳарорати газ доимӣ нигоҳ дошта мешавад. Сипас газ адиабатикӣ пахш карда мешавад (da). Азбаски он адиабатикӣ пахш карда мешавад, ҳарорати газ меафзояд. Ҳарорати газ баланд мешавад, то ки фишори газ низ зиёд шавад. Тамоми раванд дар давраи Карно баръаксшаванда аст.
Ҳангоми васеъшавии изотермӣ ва прессҳои изотермӣ, ҳарорати газ доимӣ нигоҳ дошта мешавад. Ҳадаф пешгирӣ аз ҳама гуна фарқияти ҳарорат аст. Мавҷудияти фарқияти ҳарорат метавонад боиси интиқоли гармӣ (раванди баргардониданашаванда) гардад. Барои ба амал омадани раванди изотермӣ (ҳарорати газ ҳамеша доимӣ аст), газ бояд тадриҷан васеъ ё пресс карда шавад. Дар асл, васеъшавӣ ё пахшкунии газ зудтар ба амал меояд. Ин аз сабаби турбулентӣ (маводи моеъи динамикиро дар хотир доред), соиш, часпакӣ ва ғайра аст. Дар натиҷа, раванди изотермии комил ҳеҷ гоҳ вуҷуд нахоҳад дошт. Баръакс, васеъшавӣ ва пахшкунии адиабатӣ босуръат аст.
Ҳадаф пешгирӣ кардани ҷараёни гармӣ ба силиндр ё берун аз силиндр аст. Мавҷудияти соиш, часпакӣ ва ғайра боиси васеъшавӣ ва таъкиди пурраи адиабатӣ намегардад. Дар хотир доред, ки муҳаррики Карно танҳо назариявӣ аст. Мошини Карно дар ҳаёти мо вуҷуд надорад. Гарчанде ки танҳо назариявӣ аст, вуҷуди муҳаррики Карно рушди муфиди термодинамика аст. Ҳадди ақал ҳама гуна равандҳои бебозгаштеро, ки метавонанд дар давоми ин раванд ба амал оянд, донистан мумкин аст ва кӯшиш кардан лозим аст, ки онҳоро ба ҳадди ақалл расонем, то самаранокии муҳаррик ҳадди аксар бошад.
Натиҷаи назарраси муҳаррики Карно гармии комили муҳаррик аст, гармии қабулшуда (QH ) ба ҳарорати баланд (TH) ва ихроҷи обшуда (QL) ба ҳарорати паст (TL) мутаносиб аст . Ҳамин тариқ , самаранокии муҳаррики гармии комил чунин аст:
Ин муодилаи самаранокии муҳаррики гармии комил аст.
Саволи 1:
Муҳаррики буғӣ дар ҳарорати аз 500 ° C то 300 ° C кор мекунад. Самаранокии идеалии (самаранокии Карно) муҳаррики буғиро муайян кунед.
ҳал
Ҳарорат бояд ба миқёси Келвин табдил дода шавад.
TH (ҳарорати баланд) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (ҳарорати паст) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Самаранокии муҳаррики гармии комил, ки дар ҳарорати аз 500 то 300 °C кор мекунад, 26% аст. Вақте ки мошинҳое, ки мо дар ҳаёти ҳаррӯзаи худ истифода мебарем, дар ҳарорати аз 500 то 300 °C кор мекунанд, самаранокии максималии мошинҳо тақрибан 0.7 маротиба аз самаранокии идеалӣ (18.2%) зиёдтар аст.
Саволи 2:
Муҳаррики гармӣ дар ҳарорати 300°C 600 Ҷ энергия мегирад, 100 Ҷоул корро (Вт) иҷро мекунад ва дар 100°C 500 Ҷ энергия холӣ мекунад. Самаранокии воқеӣ ва самаранокии идеалии (самаранокии Карно) ин мошинро муайян кунед.
Ҳарорат бояд ба миқёси Келвин табдил дода шавад
TH (ҳарорати баланд) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
T L (ҳарорати паст) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 Ҷ
Самаранокии муҳаррик:
Самаранокии идеалии ин дастгоҳ:
Самаранокии муҳаррики гармии комил, ки дар ҳарорати аз 300 то 100 °C кор мекунад, 35% аст. Самаранокии максималие, ки мошин метавонад ба даст орад, одатан тақрибан 0.7 маротиба аз самаранокии идеалӣ зиёдтар аст = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 Ҷ = 147 Ҷ гармии сарфшуда барои иҷрои кор).
Самаранокии воқеии ин дастгоҳ 17% аст (танҳо 100 Ҷ гармӣ барои иҷрои кор истифода мешавад). Бо вуҷуди ин, тақрибан 147 Ҷ – 100 Ҷ = 47 Ҷ гармӣ барои иҷрои кор истифода мешавад.
Саволи 3:
Як мошин 1000 калорияи Ҷоул қабул мекунад ва дар ҳар як давра 400 Ҷоул кор истеҳсол мекунад. Ин мошин аз 500 ° C то 200 ° C кор мекунад. Самаранокии воқеӣ ва самаранокии идеалии ин мошинро ҳисоб кунед.
ҳал
TH (ҳарорати баланд) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
T L (ҳарорати паст) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 Ҷ
Q L = 400 Ҷ
Самаранокии муҳаррик:
Самаранокии идеалии ин дастгоҳ:
Самаранокии Карно = 40%. Самаранокии воқеии муҳаррик = 60%. Ин мошин вуҷуд надорад. Самаранокии мошин аз самаранокии Карно зиёдтар буда наметавонист.
Саволи 4:
Барои расидан ба самаранокии муҳаррики Карно ба 100% (1), ҳарорати холӣшавии зарурӣ (Tl) чанд аст?
ҳал
Барои он ки самаранокии комили муҳаррик ба 100% расад (тамоми гармӣ метавонад барои иҷрои кор истифода шавад), пас ҳарорати паст (TL ) бояд 0 Келвин бошад.
Ба ҳарорати 0-и Келвин расидан ғайриимкон аст. Ин изҳорот қонуни сеюми термодинамика аст.
Азбаски r ҳар як 0 Келвин имконнопазир аст, пас муҳаррики гармии комил метавонад самаранокии 100% надошта бошад. Азбаски самаранокии 100% бо муҳаррики гармӣ ба даст оварда намешавад, метавон хулоса кард, ки истифодаи тамоми гармӣ (QH) барои иҷрои кор ғайриимкон аст . Бояд каме гармӣ беҳуда бошад (QL ).
Ягон муҳаррики гармӣ (ки дар як давра кор мекунад) вуҷуд дошта наметавонад, ки тамоми гармиро ба кор табдил диҳад (Қонуни дуюми термодинамика, изҳороти Келвин-Планк).
Ин график раванди изотермикиро (васеъшавии изотермикиро) нишон медиҳад, ки танҳо дар як марҳила ба амал меояд. Дар ин раванд, тамоми гармӣ (Q) метавонад ба кор (W) табдил ёбад. Миқдори кори анҷомдодашуда = масоҳати сояафкан.
Муҳаррики гармӣ бояд пайваста кор кунад (раванд бояд такроран рух диҳад, наметавонад танҳо дар як марҳила рух диҳад). Масалан, муҳаррики буғии навъи тағйирёбанда. Поршен дар муҳаррики буғии тағйирёбанда бояд пайваста ба тарафи рост ва чап ҳаракат кунад, то чархҳо чарх зананд (барои ҳаракат додани чизе истифода бурдан мумкин аст). Вақте ки поршен ба тарафи рост ҳаракат мекунад, чархҳо наметавонанд чарх зананд (раванд танҳо дар як марҳила рух медиҳад). Агар раванд такроран рух диҳад, табдил додани тамоми гармӣ ба кор ғайриимкон аст (изҳороти Келвин-Планк).
Графики тарафи чап васеъшавии изотермӣ (тирчаи поён) ва фишурдани изотермӣ (тирчаи боло)-ро нишон медиҳад. Раванд пайваста изотермӣ сурат мегирад (кор ҳосил намешавад). Графики тарафи рост раванди васеъшавии изотермӣ (тирчаи поён), раванди пахшкунии изобарӣ (тирчаи чап) ва раванди изохорӣ (тирчаи боло) мебошад . Аз ин ду график чунин бармеояд, ки барои раванди пайваста ҳамеша гармии беҳуда сарф мешавад.
