Carnot Motor Çevrimi hakkında makale
Isı motorunun verimliliğini nasıl artıracağını bulmak için, Sadi Carnot (1796-1832) adlı Fransız bir bilim insanı, 1824 yılında ideal bir ısı motorunu teorik olarak inceledi. O zamanlar, termodinamiğin birinci yasası veya ikinci yasası henüz formüle edilmemişti. Birinci yasa formüle edilmemişti çünkü bilim insanları henüz ısının enerji olduğunu bilmiyorlardı. Joule ve arkadaşları 1830'larda deneyler yaptıktan sonra, bilim insanları ancak ısının sıcaklık farklarından dolayı aktarılan enerji olduğunu kesin olarak bildiler. Bu nedenle, termodinamiğin birinci yasası 1830'dan sonra formüle edildi. Sadi Carnot, 1824 yılında ideal bir ısı motorunu teorik olarak incelemişti. Yaptığı araştırma aslında o zamanlar kullanılan buhar motorlarının verimliliğini artırmak içindi. O zamanlar çoğu buhar motoru daha az verimliydi.
Sadi Carnot tarafından geliştirilen ideal bir ısı motorundaki döngüye Carnot döngüsü denir. Carnot döngüsünü incelemeden önce, geri dönüşümsüz süreçleri anlamak faydalı olacaktır. Enerji dönüşümü ve transferinin doğal olarak meydana gelen her süreci genellikle geri dönüşümsüzdür. Örneğin, ellerimizi birbirine sürttüğümüzde ısındıklarını hissederiz. Bu durumda, yaptığımız iş sayesinde ısı üretilir. Süreç geri dönüşümsüzdür. Üretilen ısı, ellerimizi birbirine sürtmekle kendi başına iş yapamaz. Bir ısı motorunun amacı, bu süreci kısmen tersine çevirmektir; böylece ısı, mümkün olan en yüksek verimlilikle iş yapmak için kullanılabilir. Bir ısı motorunun maksimum verimliliğe ulaşması için, tüm geri dönüşümsüz süreçlerden kaçınmalıyız. Doğal olarak meydana gelen ısı transferi genellikle geri dönüşümsüzdür, bu nedenle ısı transferini önlemek için çabalar sarf edilir.
Motor ısındığında QH yüksek sıcaklıkların olduğu yerlerde (TH), makinedeki çalışma maddesinin de T sıcaklığında olması gerekir.HAynı şekilde, eğer motor ısıyı uzaklaştırırsa QL düşük sıcaklıklara sahip yerlerde (TL), makinedeki çalışma maddesinin de T sıcaklığında olması gerekir.LDolayısıyla ısı transferini içeren her işlem izotermal (aynı sıcaklıkta) olmalıdır. Tersine, motordaki çalışma maddesinin sıcaklığı T ile T arasında iseH ve TLMakine ile T sıcaklığına sahip bir yer arasında ısı transferi olmamalıdır.H (ısıtıcı) ve sıcaklığı T olan bir yerL (Atık bertarafı). Isının dışarı kaçmaması için işlem adyabatik olarak gerçekleştirilmelidir.
Carnot döngüsü aslında iki tersinir izotermal süreçten ve iki tersinir adyabatik süreçten oluşur.
Sağdaki şekil, ideal bir gaz için Carnot çevrimini göstermektedir. Başlangıçta, izotermal genleşme sırasında ısı emilir (a-b). İzotermal genleşme sırasında, silindirdeki gazın sıcaklığı sabit tutulur.
Ardından, gaz adyabatik olarak genleşir ve sıcaklığı T H'den T L' ye düşer (b-c). T H = yüksek sıcaklık (Yüksek sıcaklık), T L = düşük sıcaklık (Düşük sıcaklık). Adyabatik genleşme sırasında silindire ısı girmez veya silindirden ısı çıkmaz. Bundan sonra, gaz izotermal olarak sıkıştırılır (c-d). İzotermal sıkıştırma sırasında gaz sıcaklığı sabit tutulur. Ardından, gaz adyabatik olarak sıkıştırılır (d-a). Adyabatik olarak sıkıştırıldığı için gaz sıcaklığı artar. Gaz sıcaklığı arttığı için gaz basıncı da artar. Carnot döngüsündeki tüm işlemler tersinirdir.
İzotermal genleşme ve sıkıştırma sırasında gaz sıcaklığı sabit tutulur. Amaç, sıcaklık farklarından kaçınmaktır. Sıcaklık farkları ısı transferine (geri dönüşümsüz bir süreç) neden olabilir. İzotermal bir sürecin gerçekleşmesi (gaz sıcaklığının sabit kalması) için gazın yavaşça genleşmesi veya sıkıştırılması gerekir. Gerçekte, gaz genleşmesi veya sıkıştırması daha hızlı gerçekleşir. Bunun nedeni türbülans (akışkanlar dinamiği konusunu hatırlayın), sürtünme, viskozite vb.'dir. Sonuç olarak, mükemmel bir izotermal süreç asla var olmayacaktır. Bunun yerine, adyabatik genleşme ve sıkıştırma hızla gerçekleşir.
Amaç, ısının silindire girip çıkmasını engellemektir. Sürtünme, viskozite ve diğer faktörler mükemmel adyabatik genleşme ve sıkıştırmayı engeller. Carnot motorunun tamamen teorik olduğunu, günlük hayatımızda var olmadığını belirtmek önemlidir. Teorik olmasına rağmen, Carnot motoru termodinamiğin gelişimine önemli ölçüde katkıda bulunur. En azından, süreç sırasında meydana gelebilecek geri dönüşümsüz süreçleri belirleyebilir ve bunları en aza indirmeye çalışarak tasarladığımız ısı motorunun verimliliğini en üst düzeye çıkarabiliriz.
Carnot motorunun çok önemli bir sonucu, mükemmel bir ısı motoru için alınan ısının (Q H ) sıcaklık T H ile orantılı ve atılan ısının (Q L ) sıcaklık T L ile orantılı olmasıdır . Dolayısıyla, mükemmel bir ısı motorunun verimliliği şöyledir:
Örnek soru 1:
Bir buhar motoru 500 ° C ile 300 ° C arasında çalışmaktadır. Buhar motorunun ideal verimliliğini (Carnot verimliliğini) belirleyiniz.
Pembahasan
Sıcaklık Kelvin ölçeğine dönüştürülmelidir.
T H (yüksek sıcaklık) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (düşük sıcaklık) = 300 ° C = 300 + 273 = 573 K
500 ° C ile 300 ° C arasında çalışan mükemmel bir ısı motorunun ideal verimliliği %26'dır. Günlük hayatta kullandığımız motor 500 ° C ile 300 ° C arasında çalışıyorsa, motorun ulaşabileceği maksimum verimlilik genellikle ideal verimliliğin yaklaşık 0,7 katıdır (%18,2).
Örnek soru 2:
Bir ısı motoru 300 ° C sıcaklıkta 600 Joule ısı (Q) alır , 100 Joule iş (W) yapar ve 100 ° C sıcaklıkta 500 J ısıyı dışarı atar. Bu motorun gerçek verimliliğini ve ideal verimliliğini (Carnot verimliliği) belirleyiniz...
Pembahasan
Sıcaklık Kelvin ölçeğine dönüştürülmelidir.
T H (yüksek sıcaklık) = 300 o C ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
T L (düşük sıcaklık) = 100 ° C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
Motor verimliliği:
300 ° C ile 100 ° C arasında çalışan mükemmel bir ısı motorunun ideal verimliliği %35'tir. Motorun ulaşabileceği maksimum verimlilik genellikle ideal verimliliğin yaklaşık 0,7 katıdır = 0,7 x %35 = %24,5 (%24,5 x 600 J = 147 J ısı, iş yapmak için kullanılabilir).
Bu motorun gerçek verimliliği %17'dir (iş yapmak için sadece 100 J ısı kullanılır). Hala iş yapmak için kullanılabilecek yaklaşık 147 J – 100 J = 47 J ısı vardır. Oluşan kayıpları en aza indirmek için bu motorun verimliliğinin artırılması iyi olurdu.
Örnek soru 3:
Bir makine her çevrimde 1000 Joule ısı alır ve 400 Joule iş üretir. Bu makine 500 ° C ile 200 ° C arasında çalışmaktadır. Bu makinenin gerçek verimliliği ve ideal verimliliği nedir?
Pembahasan
T H (yüksek sıcaklık) = 500 o C ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
T L (düşük sıcaklık) = 200 ° C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
Motor verimliliği:
Bu makinenin ideal verimliliği şöyledir:
İdeal verimlilik, diğer adıyla Carnot verimliliği, %40'tır. Gerçek motor verimliliği ise %60'tır. Böyle bir motor mevcut değildir. Bir motorun verimliliğinin Carnot verimliliğini aşması imkansızdır.
Örnek soru 4:
Carnot motorunun verimliliğinin %100'e (1) ulaşması için gerekli egzoz sıcaklığı (TL ) nedir?
Pembahasan
Mükemmel bir ısı motorunun verimliliğinin %100'e ulaşması (giriş ısısının tamamının iş yapmak için kullanılabilmesi) için egzoz sıcaklığının (TL ) 0 Kelvin olması gerekir.
0 Kelvin sıcaklığa ulaşmak imkansızdır. Bu ifade termodinamiğin üçüncü yasasıdır.
0 Kelvin'e ulaşmak imkansız olduğundan, mükemmel bir ısı motorunun %100 verimliliğe sahip olması mümkün değildir. Günlük hayatta kullandığımız ısı motorlarından bahsetmeye bile gerek yok, mükemmel bir ısı motorunun bile %100 verimliliğe sahip olması mümkün değildir.
Bir ısı motorunun %100 verimliliğe ulaşamayacağı göz önüne alındığında, giriş ısısının (Q H ) tamamının iş yapmak için kullanılmasının imkansız olduğu sonucuna varabiliriz. Mutlaka bir miktar ısı kaybı (Q L ) olacaktır.
Bir ısı motorunun (döngüsel olarak çalışan) tüm ısıyı işe dönüştürmesi imkansızdır (Termodinamiğin İkinci Yasası – Kelvin-Planck ifadesi).
Yukarıdaki kalın ve italik metin, termodinamiğin ikinci yasasının özel bir ifadesidir. Sadece ısı motorları için geçerli olduğu için özel bir ifade olarak adlandırılır. Kelvin ve Planck tarafından formüle edildiği için Kelvin-Planck ifadesi olarak da bilinir. Yukarıdaki ifadede "döngü" kelimesinin varlığına dikkat edin. Döngü, tekrar tekrar gerçekleşen bir süreçtir. Dolayısıyla, bir ısı motoru sürekli çalışır. "Döngü" kelimesi eklenmiştir çünkü gerçekte, süreç yalnızca bir kez gerçekleşirse tüm ısı işe dönüştürülebilir.
Termodinamiğin birinci yasasında, izotermal, izobarik, izokorik ve adyabatik süreçler de dahil olmak üzere çeşitli termodinamik süreçler açıklanmıştır. İzotermal bir süreçte, tüm ısı işe dönüştürülebilir (Q = W). Bu, sürecin yalnızca tek bir aşamada gerçekleşmesi durumunda mümkündür. Aşağıdaki görseli inceleyin:
Bu grafik, tek bir adımda gerçekleşen izotermal bir süreci (izotermal genleşme) göstermektedir. Bu süreçte, tüm ısı (Q) işe (W) dönüştürülür. Yapılan iş miktarı = taralı alan.
Faydalı olması için bir ısı motorunun sürekli çalışması gerekir (işlem tek bir aşamada değil, tekrar tekrar gerçekleşmelidir). Örneğin, pistonlu buhar motoru. Pistonlu buhar motorunda, tekerleğin dönebilmesi (bir şeyi hareket ettirmek için kullanılabilmesi) için pistonun sürekli olarak sağa ve sola hareket etmesi gerekir. Piston sadece sağa hareket edip durduktan sonra tekerlek dönemez (işlem sadece tek bir aşamada gerçekleşir). İşlem tekrar tekrar gerçekleşirse (piston sürekli olarak sağa ve sola hareket ederse), tüm ısının işe dönüştürülmesi imkansızdır (Kelvin-Planck ifadesi). Örneğin, yukarıdaki grafikte gösterilen izotermal süreci ele alalım.
Soldaki grafik izotermal genleşmeyi (aşağı ok) ve izotermal sıkıştırmayı (yukarı ok) göstermektedir. Süreç sürekli olarak izotermal şekilde gerçekleşir (iş üretilmez). Sağdaki grafik izotermal genleşmeyi (aşağı ok), izobarik sıkıştırmayı (sol ok) ve izokorik süreci (yukarı ok) göstermektedir. Bu iki grafikten, sürekli olarak gerçekleşen süreçlerde (döngü) her zaman ısı kaybı olduğu açıktır. Bu, önceki Kelvin-Planck ifadesiyle uyumludur.
