Artikulo tungkol sa Siklo ng Makina ng Carnot
Upang malaman kung paano mapataas ang kahusayan ng isang heat engine, isang Pranses na siyentipiko na nagngangalang Sadi Carnot (1796-1832) ay nag-aral ng isang ideal na heat engine sa teoretikal na paraan noong 1824. Noong panahong iyon, ang unang batas ng termodinamika ay hindi pa nabubuo, ni ang pangalawang batas ng termodinamika. Ang unang batas ay hindi pa nabubuo dahil hindi pa alam ng mga siyentipiko na ang init ay enerhiya. Matapos magsagawa ng mga eksperimento si Joule at ang kanyang mga kaibigan noong 1830s, nalaman lamang ng mga siyentipiko na ang init ay enerhiyang inililipat dahil sa mga pagkakaiba ng temperatura. Kaya ang unang batas ng termodinamika ay nabuo pagkatapos ng 1830. Pinag-aralan ni Sadi Carnot ang isang ideal na heat engine sa teoretikal na paraan noong 1824. Ang pananaliksik na ginawa niya ay talagang upang mapataas ang kahusayan ng mga steam engine na ginagamit na noong panahong iyon. Karamihan sa mga steam engine noong panahong iyon ay hindi gaanong mahusay.
Ang siklo sa isang ideal na heat engine, na binuo ni Sadi Carnot, ay tinatawag na Carnot cycle. Bago suriin ang Carnot cycle, makakatulong na maunawaan ang mga prosesong hindi na mababawi. Ang bawat natural na nagaganap na proseso ng pagbabago at paglilipat ng enerhiya ay karaniwang hindi na mababawi. Halimbawa, kung ikukuskos natin ang ating mga kamay, mainit ang pakiramdam ng mga ito. Sa kasong ito, ang init ay nalilikha sa pamamagitan ng gawaing ginagawa natin. Ang proseso ay hindi na mababawi. Ang init na nalilikha ay hindi maaaring magsagawa ng trabaho nang mag-isa sa pamamagitan ng pagkukuskos ng ating mga kamay. Ang layunin ng isang heat engine ay bahagyang baligtarin ang prosesong ito, kung saan ang init ay maaaring gamitin upang maisagawa ang trabaho nang may pinakamataas na posibleng kahusayan. Para makamit ng isang heat engine ang pinakamataas na kahusayan, dapat nating iwasan ang lahat ng hindi na mababawi na proseso. Ang natural na nagaganap na paglipat ng init ay karaniwang hindi na mababawi, samakatuwid ay ginagawa ang mga pagsisikap upang maiwasan ang paglipat ng init.
Kapag uminit ang makina, QH sa mga lugar na may mataas na temperatura (TH), ang gumaganang sangkap sa makina ay dapat ding nasa temperaturang THGayundin, kung inaalis ng makina ang init QL sa mga lugar na may mababang temperatura (TL), ang gumaganang sangkap sa makina ay dapat ding nasa temperaturang TLKaya bawat proseso na may kinalaman sa paglipat ng init ay dapat na isothermal (parehong temperatura). Sa kabaligtaran, kung ang temperatura ng gumaganang sangkap sa makina ay nasa pagitan ng TH at TL, hindi dapat magkaroon ng paglipat ng init sa pagitan ng makina at isang lugar na may temperaturang TH (tagapagbigay ng init) at isang lugar na may temperaturang TL (pagtatapon). Upang hindi makatakas ang init, ang proseso ay dapat isagawa nang adiabatic.
Ang siklo ng Carnot ay binubuo talaga ng dalawang nababaligtad na prosesong isothermal at dalawang nababaligtad na prosesong adiabatic.
Ang pigura sa kanan ay nagpapakita ng Carnot cycle para sa isang ideal na gas. Sa una, ang init ay hinihigop habang may isothermal expansion (a-b). Sa panahon ng isothermal expansion, ang temperatura ng gas sa silindro ay pinapanatiling pare-pareho.
Susunod, ang gas ay lumalawak nang adiabatic kaya ang temperatura nito ay bumaba mula sa TH maging TL (b-c). TH = mataas na temperatura (Mataas na temperatura), TL = mababang temperatura. Sa panahon ng adiabatic expansion, walang init na pumapasok o lumalabas sa silindro. Pagkatapos nito, ang gas ay kino-compress nang isothermally (c-d). Sa panahon ng isothermal compression, ang temperatura ng gas ay pinapanatiling pare-pareho. Susunod, ang gas ay kino-compress nang adiabatically (d-a). Dahil ito ay kino-compress nang adiabatically, tumataas ang temperatura ng gas. Tumataas ang temperatura ng gas kaya tumataas din ang presyon ng gas. Lahat ng proseso sa Carnot cycle ay nababaligtad.
Sa panahon ng isothermal expansion at compression, ang temperatura ng gas ay pinapanatiling pare-pareho. Ang layunin ay maiwasan ang mga pagkakaiba sa temperatura. Ang mga pagkakaiba sa temperatura ay maaaring magdulot ng paglipat ng init (isang hindi na mababaligtad na proseso). Para mangyari ang isang isothermal na proseso (pinapanatiling pare-pareho ang temperatura ng gas), ang gas ay dapat na dahan-dahang palawakin o i-compress. Sa katotohanan, ang expansion o compression ng gas ay nangyayari nang mas mabilis. Ito ay dahil sa turbulence (tandaan ang paksa ng fluid dynamics), friction, viscosity, atbp. Bilang resulta, ang isang perpektong proseso ng isothermal ay hindi kailanman iiral. Sa halip, ang adiabatic expansion at compression ay mabilis na nangyayari.
Ang layunin ay pigilan ang daloy ng init papasok o palabas ng silindro. Ang friction, viscosity, at iba pang mga salik ay pumipigil sa perpektong adiabatic expansion at compression. Mahalagang tandaan na ang Carnot engine ay purong teoretikal; hindi ito umiiral sa ating pang-araw-araw na buhay. Bagama't teoretikal, ang Carnot engine ay may malaking kontribusyon sa pag-unlad ng thermodynamics. Sa pinakamababa, matutukoy natin ang anumang hindi na mababawi na proseso na maaaring mangyari sa panahon ng proseso at susubukang bawasan ang mga ito, sa gayon ay mapapalaki ang kahusayan ng ating dinisenyong heat engine.
Isang napakahalagang resulta ng makinang Carnot ay para sa isang perpektong makinang pampainit, ang init na natatanggap (QH) ay proporsyonal sa temperaturang TH at ang init na inilabas (QL) ay proporsyonal sa temperaturang TLKaya, ang kahusayan ng isang perpektong heat engine ay:
Halimbawang tanong 1:
Ang isang makinang de-singaw ay gumagana sa temperaturang 500 oC at 300 oC. Tukuyin ang ideal na kahusayan (Carnot efficiency) ng makinang de-singaw.
Pagtalakay
Dapat i-convert ang temperatura sa iskala ng Kelvin.
TH (mataas na temperatura) = 500 oC = 500 + 273 = 773 K
TL (mababang temperatura) = 300 oC = 300 + 273 = 573 K
Ideal na kahusayan o kahusayan ng isang perpektong heat engine na tumatakbo sa pagitan ng temperaturang 500 oC at 300 oAng C ay 26%. Kung ang mga makinang ginagamit natin sa pang-araw-araw na buhay ay gumagana sa pagitan ng temperaturang 500 oC at 300 oC, ang pinakamataas na kahusayan na maaaring makamit ng makina ay karaniwang nasa humigit-kumulang 0,7 beses ng mainam na kahusayan (18,2%).
Halimbawang tanong 2:
Ang isang heat engine ay tumatanggap ng 600 Joules ng init (Q) sa temperaturang 300 oAng C, ay gumagana (W) ng 100 Joules at naglalabas ng 500 J sa temperaturang 100 oC. Tukuyin ang aktwal na kahusayan at mainam na kahusayan (Carnot efficiency) ng makinang ito…
Pagtalakay
Dapat i-convert ang temperatura sa iskala ng Kelvin.
TH (mataas na temperatura) = 300 oC ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
TL (mababang temperatura) = 100 oC ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Kahusayan ng makina:
Ideal na kahusayan o kahusayan ng isang perpektong heat engine na tumatakbo sa pagitan ng temperaturang 300 oC at 100 oAng C ay 35%. Ang pinakamataas na kahusayan na maaaring makamit ng makina ay karaniwang nasa humigit-kumulang 0,7 beses ng mainam na kahusayan = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J ng init na maaaring gamitin sa paggawa ng trabaho).
Ang aktwal na kahusayan ng makinang ito ay 17% (100 J lamang ng init ang ginagamit sa paggawa ng trabaho). Mayroon pa ring humigit-kumulang 147 J – 100 J = 47 J ng init na maaaring gamitin sa paggawa ng trabaho. Mabuti sana kung mapataas ang kahusayan ng makinang ito upang mabawasan ang mga pagkalugi na ating natatamo.
Halimbawang tanong 3:
Ang isang makina ay tumatanggap ng 1000 Joules ng init at nakakagawa ng 400 Joules ng trabaho sa bawat siklo. Ang makina ay gumagana sa pagitan ng 500 oC at 200 oC. Ano ang aktwal na kahusayan at ideal na kahusayan ng makinang ito?
Pagtalakay
TH (mataas na temperatura) = 500 oC ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
TL (mababang temperatura) = 200 oC ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Kahusayan ng makina:
Ang ideal na kahusayan ng makinang ito ay:
Ang ideal na kahusayan, na kilala rin bilang kahusayan ng Carnot, ay 40%. Ang aktwal na kahusayan ng makina ay 60%. Walang ganitong makina. Imposibleng malampasan ng kahusayan ng isang makina ang kahusayan ng Carnot.
Halimbawang tanong 4:
Para umabot sa 100% (1) ang kahusayan ng makinang Carnot, ano ang temperatura ng tambutso (TL) kinakailangan?
Pagtalakay
Upang ang kahusayan ng isang perpektong heat engine ay umabot sa 100% (lahat ng init na inilalabas ay maaaring gamitin upang gumawa ng trabaho), ang temperatura ng tambutso (TL) dapat = 0 Kelvin.
Imposibleng umabot sa temperaturang 0 Kelvin. Ang pahayag na ito ay ang ikatlong batas ng termodinamika.
Dahil imposibleng makamit ang 0 Kelvin, ang isang perpektong heat engine ay hindi maaaring magkaroon ng 100% na kahusayan. Kahit ang isang perpektong heat engine ay hindi maaaring magkaroon ng 100% na kahusayan, lalo na ang mga heat engine na ginagamit natin sa pang-araw-araw na buhay.
Dahil hindi makakamit ng isang heat engine ang 100% na kahusayan, maaari nating tapusin na imposibleng ma-convert ang lahat ng input na init (Q) saH) ay ginagamit upang gumawa ng trabaho. Dapat ay may kaunting init na nawawala (QL).
Imposible para sa isang heat engine (na gumagana sa isang cycle) na i-convert ang lahat ng init sa trabaho (Ikalawang batas ng thermodynamics – pahayag ni Kelvin-Planck).
Ang naka-bold at naka-italic na teksto sa itaas ay isang espesyal na pahayag ng ikalawang batas ng termodinamika. Ito ay tinatawag na isang espesyal na pahayag dahil naaangkop lamang ito sa mga heat engine. Dahil binuo ito nina Kelvin at Planck, tinatawag din itong pahayag na Kelvin-Planck. Pansinin ang pagkakaroon ng salitang "cycle" sa pahayag sa itaas. Ang cycle ay isang proseso na paulit-ulit na nangyayari. Kaya, ang isang heat engine ay patuloy na gumagana. Ang salitang "cycle" ay idinagdag dahil, sa katotohanan, lahat ng init ay maaaring ma-convert sa trabaho kung ang proseso ay nangyayari nang isang beses lamang.
Sa unang batas ng termodinamika, ipinaliwanag ang ilang prosesong termodinamika, kabilang ang mga prosesong isothermal, isobaric, isochoric, at adiabatic. Sa isang prosesong isothermal, lahat ng init ay maaaring gawing trabaho (Q = W). Maaari itong mangyari kung ang proseso ay nagaganap sa isang yugto lamang. Obserbahan ang larawan sa ibaba:
Ang graph na ito ay nagpapakita ng isang prosesong isothermal (isothermal expansion) na nangyayari sa isang hakbang lamang. Sa prosesong ito, lahat ng init (Q) ay kino-convert sa trabaho (W). Ang dami ng trabahong nagawa = ang may kulay na lugar.
Para maging kapaki-pakinabang, ang isang heat engine ay dapat na patuloy na gumana (ang proseso ay dapat mangyari nang paulit-ulit, hindi sa isang hakbang lamang). Halimbawa, isang reciprocating steam engine. Ang piston sa isang reciprocating steam engine ay dapat na patuloy na gumalaw sa kanan at kaliwa upang ang gulong ay umikot (na maaaring gamitin upang igalaw ang isang bagay). Ang gulong ay hindi maaaring umikot kung ang piston ay umiikot lamang. gumagalaw lamang pakanan, pagkatapos nito ay hihinto (ang proseso ay nangyayari lamang sa isang yugto). Kung ang proseso ay nangyayari nang paulit-ulit (ang piston ay patuloy na gumagalaw pakanan at pakaliwa), imposibleng ma-convert ang lahat ng init sa trabaho (pahayag ni Kelvin-Planck). Halimbawa, isaalang-alang natin ang prosesong isothermal na ipinapakita sa graph sa itaas.
Ang graph sa kaliwa ay nagpapakita ng isothermal expansion (pababang arrow) at isothermal compression (pataas na arrow). Ang proseso ay nangyayari nang tuluy-tuloy sa pamamagitan ng isothermal (walang gawaing nalilikha). Ang graph sa kanan ay nagpapakita ng isothermal expansion (pababang arrow), isobaric compression (kaliwang arrow), at isochoric process (pataas na arrow). Mula sa dalawang graph na ito, malinaw na para sa mga prosesong nangyayari nang tuluy-tuloy (cycle), palaging may pagkawala ng init. Ito ay naaayon sa naunang pahayag ni Kelvin-Planck.
