Upang malaman kung paano mapataas ang kahusayan ng heat engine, sinuri ng isang Pranses na siyentipiko na nagngangalang Sadi Carnot (1796-1832) ang isang ideal na theoretical caloric machine noong 1824. Noong panahong iyon, ang unang batas ng thermodynamics ay hindi pa nabubuo, ni ang pangalawang batas ng thermodynamics. Ang unang batas ay hindi pa nabubuo dahil hindi pa alam ng mga siyentipiko na ang init ay enerhiya. Matapos mag-eksperimento sina Joule at ang kanyang mga kasamahan noong 1830s, natuklasan ng mga siyentipiko na ang init ay enerhiya na gumagalaw dahil sa mga pagkakaiba ng temperatura. Kaya, ang unang batas ng thermodynamics ay nabuo pagkatapos ng 1830. Sinaliksik ni Sadi Carnot ang theoretical ideal caloric engine noong 1824. Ang kanyang pananaliksik ay talagang upang mapataas ang kahusayan ng steam engine. Karamihan sa mga steam engine noong panahong iyon ay hindi gaanong mahusay.
Ang siklo sa ideal na heat engine ayon sa kaisipan ni Sadi Carnot ay tinatawag na Carnot cycle. Bago natin natutunan ang Carnot cycle, naunawaan natin muli ang prosesong hindi na mababawi. Ang bawat proseso ng pagbabago ng enerhiya at paglilipat ng enerhiya ay nangyayari nang hindi na mababawi. Halimbawa, kinukuskos natin ang mga kamay upang uminit ang mga kamay. Ang init ay nalilikha sa pamamagitan ng gawaing ginagawa natin. Ang proseso ay hindi na mababawi. Hindi kayang kuskusin ng init ang mga kamay.
Ang layunin ng isang heat engine ay baligtarin ang ilan sa prosesong ito, kung saan maaaring gamitin ang init upang maisagawa ang trabaho nang may pinakamataas na posibleng kahusayan. Para magkaroon ng pinakamataas na kahusayan ang heat engine, dapat nating iwasan ang lahat ng prosesong hindi na mababaligtad. Ang paglipat ng init ay natural na hindi na mababaligtad kaya hindi dapat mangyari ang paggalaw ng init.
Kapag kinukuha ng makina ang init (Q₂H₃ ) sa mataas na temperatura (T₂H₃ ) , ang working fluid sa makina ay dapat ding nasa temperaturang T₂H₃ . Gayundin, kung ilalabas ng makina ang init na Q₂L₃ sa mababang temperatura (T₂H₃ ) , ang working fluid sa makina ay dapat ding nasa temperaturang T₂H₃ . Kaya, ang anumang proseso na kinasasangkutan ng paglipat ng init ay dapat na isothermal (parehong temperatura). Sa kabaligtaran, kung ang temperatura ng workpiece sa makina ay nasa pagitan ng T₂H₃ at T₂H₃ , walang paglipat ng init na nangyayari sa pagitan ng makina kung saan ang lugar ay may temperaturang T₂H₃ (tagapagtustos ng init) at ang lugar na may temperaturang T₂H₃ ( paglabas). Dahil ang init ay hindi gumagalaw, ang proseso ay dapat gawin nang adiabatically.
Ang siklo ng Carnot ay binubuo ng dalawang nababaligtad na prosesong isothermal at dalawang nababaligtad na prosesong adiabatic.
Ang larawan sa gilid ay Ang piston Carnot cycle para sa isang ideal na gas. Una, ang init ay hinihigop habang nagaganap ang isothermal expansion (ab). Habang nagaganap ang isothermal expansion, ang temperatura ng gas sa silindro ay pinapanatiling pare-pareho.
Susunod, ang gas ay lumalawak nang adiabatic kaya bumaba ang temperatura mula T H patungong T L (bc). T H = mataas na temperatura, T L = mababang temperatura. Sa panahon ng adiabatic expansion, walang init na pumapasok o lumalabas sa silindro. Pagkatapos, ang gas ay pinipindot nang isothermal (cd). Sa panahon ng isothermal pressing, ang temperatura ng gas ay pinapanatiling pare-pareho. Ang gas ay pinipindot nang adiabatic (da). Dahil ito ay pinipigil nang adiabatic, tumataas ang temperatura ng gas. Tumataas ang temperatura ng gas kaya tumataas din ang presyon ng gas. Ang buong proseso sa Carnot cycle ay nababaligtad.
Sa panahon ng isothermal expansion at isothermal pressing, ang temperatura ng gas ay pinapanatiling pare-pareho. Ang layunin ay maiwasan ang anumang pagkakaiba sa temperatura. Ang pagkakaroon ng pagkakaiba sa temperatura ay maaaring magdulot ng paglipat ng init (hindi maibabalik na proseso). Para mangyari ang isothermal process (ang temperatura ng gas ay palaging pare-pareho), ang gas ay dapat unti-unting palawakin o idiin. Sa katotohanan, ang expansion, o gas suppression, ay nangyayari nang mas mabilis. Ito ay dahil sa turbulence (tandaan ang dynamic fluid material), friction, viscosity, atbp. Bilang resulta, ang perpektong isothermal process ay hindi kailanman iiral. Sa kabaligtaran, ang adiabatic expansion at suppression ay mabilis.
Ang layunin ay pigilan ang daloy ng init papasok o palabas ng silindro. Ang pagkakaroon ng friction, viscosity, atbp. ay hindi nagdudulot ng kumpletong adiabatic expansion at emphasis. Tandaan na ang Carnot engine ay teoretikal lamang. Ang Carnot machine ay hindi umiiral sa ating buhay. Bagama't teoretikal lamang, ang pagkakaroon ng Carnot engine ay isang kapaki-pakinabang na pag-unlad ng thermodynamics. Maaari itong kahit papaano malaman ang anumang hindi na mababawi na proseso na maaaring mangyari sa panahon ng proseso at tangkaing bawasan ang mga ito upang ang kahusayan ng makina ay maging pinakamataas.
Ang makabuluhang resulta ng makinang Carnot ay para sa perpektong init ng makina, ang natatanggap na init (Q₂H₃ ) ay proporsyonal sa mataas na temperatura (T₂H₃ ) , at ang natunaw na tambutso (Q₂L₃ ) ay proporsyonal sa mababang temperatura (T₂H₃ ) . Kaya, ang kahusayan ng perpektong makinang pang-init ay:
Ito ang ekwasyon ng perpektong kahusayan ng heat engine.
Tanong 1:
Ang isang makinang de-singaw ay gumagana sa temperaturang nasa pagitan ng 500 o C at 300 o C. Tukuyin ang mainam na kahusayan (Carnot efficiency) ng makinang de-singaw.
Solusyon
Dapat i-convert ang temperatura sa iskala ng Kelvin.
T H (mataas na temperatura) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (mababang temperatura) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
Ang kahusayan ng isang perpektong heat engine na gumagana sa pagitan ng 500 °C at 300 °C ay 26%. Kapag ang mga makinang ginagamit natin sa ating pang-araw-araw na buhay ay gumagana sa pagitan ng 500 °C at 300 °C, ang pinakamataas na kahusayan na maaaring makamit ng mga makina ay humigit-kumulang 0.7 beses na ideal na kahusayan (18.2%).
Tanong 2:
Ang isang heat engine ay tumatanggap ng 600 J sa temperaturang 300 °C, nagsasagawa ng trabaho (W) na 100 Joules at naglalabas ng 500 J sa 100 °C. Tukuyin ang aktwal na kahusayan at ideal na kahusayan (Carnot efficiency) ng makinang ito.
Dapat i-convert ang temperatura sa iskala ng Kelvin
T H (mataas na temperatura) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
T L (mababang temperatura) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Kahusayan ng makina:
Ang mainam na kahusayan ng makinang ito:
Ang kahusayan ng isang perpektong heat engine na gumagana sa pagitan ng 300 °C at 100 °C ay 35%. Ang pinakamataas na kahusayan na maaaring makamit ng makina ay karaniwang humigit-kumulang 0.7 beses ng mainam na kahusayan = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J na init na ginagamit upang gumawa ng trabaho).
Ang aktwal na kahusayan ng makinang ito ay 17% (100 J na init lamang ang ginagamit upang gumawa ng trabaho). Nasa humigit-kumulang 147 J pa rin – 100 J = 47 J na init na maaaring gamitin upang gumawa ng trabaho.
Tanong 3:
Ang isang makina ay tumatanggap ng 1000 Joule calories at nakakagawa ng 400 Joules ng trabaho sa bawat cycle. Ang makinang ito ay gumagana sa pagitan ng 500 o C at 200 o C. Kalkulahin ang aktwal na kahusayan at ideal na kahusayan ng makinang ito.
Solusyon
T H (mataas na temperatura) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
T L (mababang temperatura) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Kahusayan ng makina:
Ang mainam na kahusayan ng makinang ito:
Kahusayan ng Carnot = 40%. Ang aktwal na kahusayan ng makina = 60%. Hindi umiiral ang makinang ito. Ang kahusayan ng isang makina ay hindi maaaring mas mataas kaysa sa kahusayan ni Carnot.
Tanong 4:
Para umabot sa 100% (1) ang kahusayan ng makinang Carnot, ano ang kinakailangang temperatura ng paglabas (T L )?
Solusyon
Para umabot sa 100% ang perpektong kahusayan ng makina (lahat ng init ay maaaring gamitin upang gumawa ng trabaho), ang mababang temperatura (T/ L ) ay dapat na 0 Kelvin.
Imposibleng maabot ang temperaturang 0 Kelvin. Ang pahayag na ito ang ikatlong batas ng termodinamika.
Dahil hindi posible ang bawat r na 0 Kelvin, maaaring walang 100% na kahusayan ang perpektong heat engine. Dahil hindi makakamit ng heat engine ang 100% na kahusayan, maaaring mahinuha na hindi posibleng gamitin ang lahat ng init ( Q₂H₂ ) para gumawa ng trabaho. Dapat ay may nasayang na init (Q₂L₂ ).
Maaaring walang heat engine (na gumagana sa isang cycle) na kayang gawing trabaho ang lahat ng init (Ikalawang batas ng thermodynamics, pahayag nina Kelvin-Planck).
Ipinapakita ng graph na ito ang prosesong isothermal (isothermal expansion) na nagaganap sa isang yugto lamang. Sa prosesong ito, lahat ng init (Q) ay maaaring gawing trabaho (W). Ang dami ng trabahong nagawa = may kulay na lugar.
Ang heat engine ay dapat gumana nang tuluy-tuloy (ang proseso ay dapat mangyari nang paulit-ulit, hindi maaaring mangyari sa isang hakbang lamang). Halimbawa, isang alternating type steam engine. Ang piston sa isang alternating steam engine ay dapat gumalaw pakanan at pakaliwa nang tuluy-tuloy, upang ang mga gulong ay umikot (maaaring gamitin upang igalaw ang isang bagay). Ang mga gulong ay hindi maaaring umikot kapag ang piston ay gumalaw upang huminto pakanan (ang proseso ay nangyayari sa isang yugto lamang). Kung ang proseso ay nangyayari nang paulit-ulit, imposibleng ang lahat ng init ay maaaring gawing trabaho (pahayag nina Kelvin-Planck).
Ang graph sa kaliwa ay nagpapakita ng isothermal expansion (pababang arrow) at isothermal compression (pataas na arrow). Ang proseso ay patuloy na nangyayari nang isothermally (Walang gawaing nalilikha). Ang graph sa kanan ay isang proseso ng isothermal expansion (pababang arrow), proseso ng isobaric pressing (arrow sa kaliwa) at prosesong isochoric (pataas na arrow). Mula sa dalawang graph na ito, lumalabas na para sa isang tuluy-tuloy na proseso, palaging may nasayang na init.
