Issiqlik dvigatelining samaradorligini qanday oshirishni aniqlash uchun Sadi Karno (1796-1832) ismli fransuz olimi 1824-yilda ideal nazariy kaloriya mashinasini tekshirdi. O'sha paytda termodinamikaning birinchi qonuni ham, termodinamikaning ikkinchi qonuni ham shakllanmagan edi. Birinchi qonun shakllanmagan, chunki olimlar hali issiqlik energiya ekanligini bilishmaydi. Joul va uning hamkasblari 1830-yillarda tajriba o'tkazgandan so'ng, olimlar issiqlik harorat farqlari tufayli harakatlanadigan energiya ekanligini aniqladilar. Shunday qilib, termodinamikaning birinchi qonuni 1830-yildan keyin shakllantirildi. Sadi Karno 1824-yilda nazariy ideal kaloriya dvigatelini tadqiq qilgan edi. Uning tadqiqoti aslida bug 'dvigatelining samaradorligini oshirishga qaratilgan edi. O'sha davrdagi bug 'dvigatellarining aksariyati unchalik samarali emas edi.
Sadi Karno fikridagi ideal issiqlik dvigatelidagi sikl Karno sikli deb ataladi. Karno siklini o'rganishdan oldin, biz qaytarib bo'lmaydigan jarayonni yana bir bor angladik. Energiya o'zgarishi va energiya uzatishning har bir jarayoni qaytarib bo'lmaydigan tarzda sodir bo'ladi. Masalan, biz qo'llarni ishqalaymiz, shunda qo'llar issiq bo'ladi. Issiqlik biz bajaradigan ish orqali hosil bo'ladi. Jarayon qaytarib bo'lmaydigan. Issiqlik qo'llarni ishqalay olmaydi.
Issiqlik dvigatelining maqsadi bu jarayonning bir qismini teskari aylantirishdir, bunda issiqlik eng yuqori samaradorlik bilan ish bajarish uchun ishlatilishi mumkin. Issiqlik dvigateli maksimal samaradorlikka ega bo'lishi uchun biz barcha qaytarib bo'lmaydigan jarayonlardan qochishimiz kerak. Issiqlik uzatish tabiiy ravishda qaytarib bo'lmaydigan jarayondir, shuning uchun issiqlik harakati sodir bo'lmasligi kerak.
Dvigatel issiqlikni (QH) yuqori haroratda (TH) olganda , mashinadagi ishchi suyuqlik ham TH haroratida bo'lishi kerak . Xuddi shunday, agar dvigatel QL issiqligini past haroratda (TL ) chiqarsa, mashinadagi ishchi suyuqlik ham TL haroratida bo'lishi kerak . Shunday qilib, issiqlik uzatish bilan bog'liq har qanday jarayon izotermik (bir xil harorat) bo'lishi kerak. Aksincha, agar mashinadagi ish qismining harorati TH va TL oralig'ida bo'lsa , TH haroratiga ega joy (issiqlik yetkazib beruvchi) bo'lgan mashina va TL haroratiga ega joy (razryad) o'rtasida issiqlik uzatish sodir bo'lmaydi. Issiqlik harakatlanmasa, jarayon adiabatik tarzda bajarilishi kerak.
Karno sikli ikkita qaytariladigan izotermik jarayon va ikkita qaytariladigan adiabatik jarayondan iborat.
Yon tomondagi rasm ideal gaz uchun pistonli Karno sikli. Birinchidan, issiqlik izotermik kengayish (ab) paytida yutiladi. Izotermik kengayish paytida silindrdagi gaz harorati doimiy ravishda saqlanadi.
Keyin, gaz adiabatik ravishda kengayadi, natijada harorat T H dan T L gacha (bc) tushadi. T H = yuqori harorat, T L = past harorat. Adiabatik kengayish paytida silindrga issiqlik kirmaydi yoki chiqmaydi. Shundan so'ng, gaz izotermik presslanadi (cd). Izotermik presslash paytida gaz harorati doimiy ravishda saqlanadi. Keyin gaz adiabatik presslanadi (da). Adiabatik bostirilganligi sababli, gaz harorati oshadi. Gaz harorati ko'tariladi, natijada gaz bosimi ham oshadi. Karno siklidagi butun jarayon qaytariladi.
Izotermik kengayish va izotermik presslar paytida gaz harorati doimiy ravishda saqlanadi. Maqsad har qanday harorat farqlarining oldini olishdir. Harorat farqining mavjudligi issiqlik uzatilishiga (qaytarib bo'lmaydigan jarayon) olib kelishi mumkin. Izotermik jarayon sodir bo'lishi uchun (gaz harorati har doim doimiy) gaz asta-sekin kengayishi yoki presslanishi kerak. Aslida, kengayish yoki gaz bostirilishi tezroq sodir bo'ladi. Bu turbulentlik (dinamik suyuq materialni eslang), ishqalanish, yopishqoqlik va boshqalar tufayli yuzaga keladi. Natijada, mukammal izotermik jarayon hech qachon mavjud bo'lmaydi. Aksincha, adiabatik kengayish va bostirilish tez sodir bo'ladi.
Maqsad issiqlikning silindrga yoki silindrdan tashqariga oqib chiqishiga yo'l qo'ymaslikdir. Ishqalanish, yopishqoqlik va boshqalarning mavjudligi to'liq adiabatik kengayish va kuchlanishga olib kelmaydi. Shuni yodda tutingki, Carnot dvigateli faqat nazariydir. Carnot mashinasi bizning hayotimizda mavjud emas. Faqat nazariy bo'lsa-da, Carnot dvigatelining mavjudligi termodinamikaning foydali rivojlanishidir. Hech bo'lmaganda jarayon davomida sodir bo'lishi mumkin bo'lgan har qanday qaytarib bo'lmaydigan jarayonlar haqida bilish va dvigatelning samaradorligi maksimal bo'lishi uchun ularni minimallashtirishga harakat qilish mumkin.
Carnot dvigatelining muhim natijasi ideal dvigatel issiqligi uchundir, olingan issiqlik (QH ) yuqori haroratga ( TH ) mutanosib , erigan chiqindi gaz (QL) esa past haroratga ( TL ) mutanosib . Shunday qilib, ideal issiqlik dvigatelining samaradorligi quyidagicha:
Bu ideal issiqlik dvigatelining samaradorligi tenglamasi.
Savol 1:
Bugʻ mashinasi 500 ° C va 300 ° C oraligʻida ishlaydi. Bugʻ mashinasining ideal samaradorligini (Karno samaradorligi) aniqlang.
qaror
Harorat Kelvin shkalasiga aylantirilishi kerak.
T H (yuqori harorat) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
T L (past harorat) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
500 °C dan 300 °C gacha ishlaydigan mukammal issiqlik dvigatelining samaradorligi 26% ni tashkil qiladi. Kundalik hayotimizda foydalanadigan mashinalar 500 °C dan 300 °C gacha ishlaganda, mashinalar erisha oladigan maksimal samaradorlik ideal samaradorlikdan taxminan 0.7 baravar ko'p (18.2%).
Savol 2:
Issiqlik dvigateli 300 °C haroratda 600 J energiya oladi, 100 Joul ish bajaradi (Vt) va 100 °C da 500 J energiya chiqaradi. Ushbu mashinaning haqiqiy samaradorligi va ideal samaradorligini (Karno samaradorligi) aniqlang.
Harorat Kelvin shkalasiga aylantirilishi kerak
T H (yuqori harorat) = 300 o C — 300 + 273 = 573 K
T L (past harorat) = 100 o C — 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
Dvigatel samaradorligi:
Ushbu mashinaning ideal samaradorligi:
300 °C va 100 °C oralig'ida ishlaydigan ideal issiqlik dvigatelining samaradorligi 35% ni tashkil qiladi. Mashina erisha oladigan maksimal samaradorlik odatda ideal samaradorlikning taxminan 0.7 baravariga teng = 0.7 x 35% = 24.5% (24.5% x 600 J = 147 J ish bajarish uchun sarflangan issiqlik).
Bu mashinaning haqiqiy samaradorligi 17% ni tashkil qiladi (faqat 100 J issiqlik ish bajarish uchun ishlatiladi). Shunga qaramay, taxminan 147 J – 100 J = 47 J issiqlik ish bajarish uchun ishlatilishi mumkin.
Savol 3:
Mashina har bir siklda 1000 Joul kaloriya oladi va 400 Joul ish bajaradi. Bu mashina 500 o C va 200 o C oralig'ida ishlaydi. Ushbu mashinaning haqiqiy samaradorligi va ideal samaradorligini hisoblang.
qaror
T H (yuqori harorat) = 500 o C — 500 + 273 = 773 K
T L (past harorat) = 200 o C — 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
Dvigatel samaradorligi:
Ushbu mashinaning ideal samaradorligi:
Carnot samaradorligi = 40%. Dvigatelning haqiqiy samaradorligi = 60%. Bu mashina mavjud emas. Mashinaning samaradorligi Carnot samaradorligidan yuqori bo'lishi mumkin emas edi.
Savol 4:
Carnot dvigatelining samaradorligi 100% ga (1) yetishi uchun zarur bo'lgan chiqarish harorati (T L ) qanday bo'lishi kerak?
qaror
Dvigatelning mukammal samaradorligi 100% ga yetishi uchun (barcha issiqlik ish bajarish uchun ishlatilishi mumkin), past harorat (T L ) 0 Kelvin bo'lishi kerak.
Kelvin haroratiga 0 darajaga yetib borishning iloji yo'q. Bu bayonot termodinamikaning uchinchi qonunidir.
Har bir 0 Kelvin uchun r imkonsiz bo'lgani uchun, mukammal issiqlik dvigateli 100% samaradorlikka ega bo'lmasligi mumkin. Issiqlik dvigateli 100% samaradorlikka erisha olmagani uchun, barcha issiqlikni (QH) ish bajarish uchun ishlatish mumkin emas degan xulosaga kelish mumkin . Ba'zi isrof qilingan issiqlik bo'lishi kerak (QL ).
Barcha issiqlikni ishga aylantira oladigan (siklda ishlaydigan) issiqlik dvigateli bo'lishi mumkin emas (Termodinamikaning ikkinchi qonuni, Kelvin-Plank bayonoti).
Ushbu grafikda faqat bitta bosqichda sodir bo'ladigan izotermik jarayon (izotermik kengayish) ko'rsatilgan. Bu jarayonda barcha issiqlik (Q) ishga (W) aylantirilishi mumkin. Bajarilgan ish miqdori = soyali maydon.
Issiqlik dvigateli uzluksiz ishlashi kerak (jarayon bir necha bor sodir bo'lishi kerak, faqat bir bosqichda sodir bo'lishi mumkin emas). Masalan, o'zgaruvchan turdagi bug 'dvigatel. O'zgaruvchan bug' dvigatelidagi piston o'ngga va chapga uzluksiz harakatlanishi kerak, shunda g'ildiraklar aylanishi mumkin (biror narsani harakatlantirish uchun ishlatilishi mumkin). Piston o'ngga to'xtash uchun harakatlanganda g'ildiraklar aylana olmaydi (jarayon faqat bitta bosqichda sodir bo'ladi). Agar jarayon bir necha bor sodir bo'lsa, barcha issiqlikni ishga aylantirish mumkin emas (Kelvin-Plank bayonoti).
Chapdagi grafikda izotermik kengayish (pastga yo'naltirilgan strelka) va izotermik siqilish (yuqoriga yo'naltirilgan strelka) ko'rsatilgan. Jarayon uzluksiz izotermik ravishda sodir bo'ladi (ish bajarilmaydi). O'ngdagi grafikda izotermik kengayish jarayoni (pastga yo'naltirilgan strelka), izobarik presslash jarayoni (chapga yo'naltirilgan strelka) va izohorik jarayon (yuqoriga yo'naltirilgan strelka) ko'rsatilgan. Ushbu ikkita grafikdan ko'rinib turibdiki, uzluksiz jarayon uchun har doim isrof qilinadigan issiqlik mavjud.
