אַרטיקל וועגן קאַרנאָט מאָטאָר ציקל
כדי צו אויסגעפינען ווי אזוי צו פארגרעסערן די עפעקטיווקייט פון א היץ מאטאר, האט א פראנצויזישער וויסנשאפטלער מיטן נאמען סאדי קארנאט (1796-1832) טעארעטיש שטודירט אן אידעאלן היץ מאטאר אין 1824. אין יענער צייט איז דער ערשטער געזעץ פון טערמאדינאמיק נאך נישט געווען פארמולירט, און אויך נישט דער צווייטער געזעץ פון טערמאדינאמיק. דער ערשטער געזעץ איז נאך נישט געווען פארמולירט ווייל וויסנשאפטלער האבן נאך נישט געוואוסט אז היץ איז ענערגיע. נאכדעם וואס דזשול און זיינע פריינט האבן דורכגעפירט עקספערימענטן אין די 1830ער יארן, האבן וויסנשאפטלער נאר געוואוסט זיכער אז היץ איז ענערגיע וואס ווערט איבערגעגעבן צוליב טעמפעראטור אונטערשיידן. אזוי איז דער ערשטער געזעץ פון טערמאדינאמיק פארמולירט געווארן נאך 1830. סאדי קארנאט האט טעארעטיש שטודירט אן אידעאלן היץ מאטאר אין 1824. די פארשונג וואס ער האט געטאן איז געווען אין פאקט צו פארגרעסערן די עפעקטיווקייט פון דאמף מאשינען וואס זענען געווען אין באנוץ אין יענער צייט. רוב דאמף מאשינען אין יענער צייט זענען געווען ווייניגער עפעקטיוו.
דער ציקל אין אן אידעאלן היץ מאטאר, אנטוויקלט דורך סאדי קארנאט, ווערט גערופן דער קארנאט ציקל. איידער מיר איבערקוקן דעם קארנאט ציקל, איז עס נוצליך צו פארשטיין אומקערלעכע פראצעסן. יעדער נאטירלעכער פראצעס פון ענערגיע טראנספארמאציע און טראנספער איז געווענליך אומקערלעך. למשל, אויב מיר רייבן אונזערע הענט צוזאמען, פילן זיי זיך ווארעם. אין דעם פאל ווערט היץ פראדוצירט דורך דער ארבעט וואס מיר טוען. דער פראצעס איז אומקערלעך. די פראדוצירטע היץ קען נישט אליין אויספירן ארבעט דורך רייבן אונזערע הענט צוזאמען. די ציל פון א היץ מאטאר איז טיילווייז אומקערן דעם פראצעס, וואו די היץ קען ווערן גענוצט צו אויספירן ארבעט מיט דער גרעסטער מעגלעכער עפעקטיווקייט. כדי א היץ מאטאר זאל דערגרייכן מאקסימום עפעקטיווקייט, מוזן מיר פארמיידן אלע אומקערלעכע פראצעסן. נאטירלעכע היץ טראנספער איז געווענליך אומקערלעך, דעריבער מאכט מען אנשטרענגונגען צו פארמיידן היץ טראנספער.
ווען דער מאָטאָר נעמט היץ QH אין ערטער מיט הויכע טעמפּעראַטורן (טH), די ארבעטס-מאטעריאל אין דער מאשין מוז אויך זיין ביי טעמפעראטור טHאזוי אויך, אויב דער מאָטאָר נעמט אַוועק היץ QL אין ערטער מיט נידעריקע טעמפּעראַטורן (טL), די ארבעטס-מאטעריאל אין דער מאשין מוז אויך זיין ביי טעמפעראטור טL. אַזוי יעדער פּראָצעס וואָס ינוואַלווז היץ אַריבערפירן מוז זיין איזאָטערמיש (די זעלבע טעמפּעראַטור). פאַרקערט, אויב די טעמפּעראַטור פון די אַרבעט מאַטעריאַל אין די מאָטאָר איז צווישן טH און טL, עס טאר נישט זיין קיין היץ איבערפיר צווישן דער מאשין און א פלאץ וואס האט א טעמפעראטור טH (היץ פּראַוויידער) און אַ פּלאַץ וואָס האט אַ טעמפּעראַטור טL (אויסוואַרפן). כּדי די היץ זאָל נישט אַנטלויפֿן, מוז דער פּראָצעס דורכגעפֿירט ווערן אַדיאַבאַטיש.
דער קאַרנאָט ציקל באשטייט טאַקע פון צוויי ריווערסאַבאַל איזאָטערמישע פּראָצעסן און צוויי ריווערסאַבאַל אַדיאַבאַטישע פּראָצעסן.
די פיגור אויף דער רעכטער זייט ווייזט דעם קאַרנאָט ציקל פֿאַר אַן אידעאַלן גאַז. אָנהייב ווערט היץ אַבזאָרבירט בעת איזאָטערמישער עקספּאַנשאַן (אַ-ב). בעת איזאָטערמישער עקספּאַנשאַן ווערט די טעמפּעראַטור פֿון גאַז אין צילינדער געהאַלטן קאָנסטאַנט.
דערנאך, עקספּאַנדירט זיך דער גאַז אַדיאַבאַטיש אַזוי אַז זיין טעמפּעראַטור פאַלט פון ט ה צו ט ל (ב-ג). ט ה = הויכע טעמפּעראַטור (הויך טעמפּעראַטור), ט ל = נידעריקע טעמפּעראַטור (נידעריק טעמפּעראַטור). בעת אַדיאַבאַטישער עקספּאַנשאַן, גייט קיין היץ נישט אַרײַן און נישט אַרויס פון צילינדער. דערנאָך ווערט דער גאַז קאָמפּרעסט איזאָטהערמיש (ג-ד). בעת איזאָטהערמישער קאָמפּרעסיע ווערט די גאַז טעמפּעראַטור געהאַלטן קאָנסטאַנט. דערנאך ווערט דער גאַז קאָמפּרעסט אַדיאַבאַטיש (ד-אַ). ווײַל עס ווערט קאָמפּרעסט אַדיאַבאַטיש, וואַקסט די גאַז טעמפּעראַטור. די גאַז טעמפּעראַטור וואַקסט אַזוי אַז דער גאַז דרוק וואַקסט אויך. אַלע פּראָצעסן אין דעם קאַרנאָט ציקל זענען ריווערסאַבאַל.
בעת איזאָטערמישער אויסברייטונג און קאמפרעסיע, ווערט די גאז טעמפעראטור געהאלטן קאנסטאנט. די ציל איז צו פארמיידן טעמפעראטור אונטערשיידן. טעמפעראטור אונטערשיידן קענען פאראורזאכן היץ טראנספער (אן אומקערלעכער פראצעס). כדי אן איזאָטערמישער פראצעס זאל פארקומען (האלטן די גאז טעמפעראטור קאנסטאנט), מוז דער גאז ווערן אויסגעברייטערט אדער קאמפרעסט לאנגזאם. אין פאקט, פאסירט גאז אויסברייטונג אדער קאמפרעסיע שנעלער. דאס איז צוליב טורבולענץ (געדענקט די טעמע פון פלויד דינאמיק), רייבונג, וויסקאזיטעט, א.א.וו. אלס רעזולטאט, וועט א גאנץ גוטער איזאָטערמישער פראצעס קיינמאל נישט עקזיסטירן. אנשטאט, פאסירן אדיאבאטישער אויסברייטונג און קאמפרעסיע שנעל.
די ציל איז צו פאַרהיטן היץ פון פליסן אין אָדער אַרויס פון דעם צילינדער. רייבונג, וויסקאָסיטי, און אַנדערע פאַקטאָרן פאַרהיטן פּערפעקטע אַדיאַבאַטישע יקספּאַנשאַן און קאַמפּרעסיע. עס איז וויכטיק צו באַמערקן אַז דער קאַרנאָט מאָטאָר איז ריין טעאָרעטיש; עס עקזיסטירט נישט אין אונדזער טעגלעך לעבן. כאָטש טעאָרעטיש, דער קאַרנאָט מאָטאָר ביישטייערט באַדייטנד צו דער אַנטוויקלונג פון טערמאָדִינאַמיק. אין מינדסטן, קענען מיר ידענטיפיצירן קיין אומקערלעכע פּראָצעסן וואָס קענען פּאַסירן בעת דעם פּראָצעס און פּרוּוון צו מינימיזירן זיי, אַזוי מאַקסאַמיזירן די עפעקטיווקייט פון אונדזער דיזיינד היץ מאָטאָר.
א זייער וויכטיגע רעזולטאט פון דעם קארנאט מאטאר איז אז פאר א פערפעקטן היץ מאטאר, איז די באקומענע היץ (QH ) פראפארציאנעל צו דער טעמפעראטור TH און די אפגעווארפענע היץ (QL ) איז פראפארציאנעל צו דער טעמפעראטור TL . אזוי, איז די עפעקטיווקייט פון א פערפעקטן היץ מאטאר:
בייַשפּיל קשיא 1:
א דאמף־מאטאר ארבעט צווישן 500 oC און 300 oC . באַשטימט די אידעאַלע עפעקטיווקייט (קאַרנאָט עפעקטיווקייט) פון דער דאמף־מאטאר.
דיסקוסיע
די טעמפּעראַטור מוז ווערן קאָנווערטירט צו דער קעלווין סקאַלע.
ט ה (הויכע טעמפּעראַטור) = 500 o C = 500 + 273 = 773 K
טי ל (נידעריגע טעמפּעראַטור) = 300 o C = 300 + 273 = 573 K
די אידעאַלע עפעקטיווקייט אדער עפעקטיווקייט פון א פערפעקטן היץ מאטאר וואס ארבעט צווישן 500 oC און 300 oC איז 26%. אויב דער מאטאר וואס מיר ניצן אין טעגליכן לעבן ארבעט צווישן 500 oC און 300 oC , איז די מאקסימום עפעקטיווקייט וואס דער מאטאר קען דערגרייכן געווענליך ארום 0,7 מאל די אידעאַלע עפעקטיווקייט (18,2%).
בייַשפּיל קשיא 2:
א היץ מאטאר באקומט 600 דזשולס היץ (Q) ביי א טעמפעראטור פון 300 ° C, טוט 100 דזשולס ארבעט (W) און פארווארפט 500 דזש ביי א טעמפעראטור פון 100 ° C. באשטימט די אמת'ע עפעקטיווקייט און אידעאלע עפעקטיווקייט (קארנאט עפעקטיווקייט) פון דעם מאטאר...
דיסקוסיע
די טעמפּעראַטור מוז ווערן קאָנווערטירט צו דער קעלווין סקאַלע.
הויכע טעמפּעראַטור (TH ) = 300 oC ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
טי ל (נידעריגע טעמפּעראַטור) = 100 o C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
ק ה = 600 דזש
ק ל = 500 דזש
מאָטאָר עפעקטיווקייט:
די אידעאַלע עפעקטיווקייט אדער עפעקטיווקייט פון א פערפעקטן היץ מאטאר וואס ארבעט צווישן 300 oC און 100 oC איז 35%. די מאקסימום עפעקטיווקייט וואס דער מאטאר קען דערגרייכן איז געווענליך ארום 0,7 מאל די אידעאַלע עפעקטיווקייט = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J פון היץ וואס קען גענוצט ווערן צו טאן ארבעט).
די פאקטישע עפעקטיווקייט פון דעם מאטאר איז 17% (נאר 100 דזש היץ ווערט גענוצט צו טון ארבעט). עס איז נאך אלץ דא בערך 147 דזש – 100 דזש = 47 דזש היץ וואס קען גענוצט ווערן צו טון ארבעט. עס וואלט געווען גוט אויב די עפעקטיווקייט פון דעם מאטאר קען פארגרעסערט ווערן צו מינימיזירן די פארלוסטן וואס מיר האבן.
בייַשפּיל קשיא 3:
א מאַשין באַקומט 1000 דזשול היץ און פּראָדוצירט 400 דזשול אַרבעט אין יעדן ציקל. די מאַשין אַרבעט צווישן 500 oC און 200 oC . וואָס איז די פאַקטישע עפעקטיווקייט און אידעאַלע עפעקטיווקייט פון דער מאַשין?
דיסקוסיע
ט ה (הויכע טעמפּעראַטור) = 500 o C ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
טי ל (נידעריגע טעמפּעראַטור) = 200 o C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
ק ה = 1000 דזש
ק ל = 400 דזש
מאָטאָר עפעקטיווקייט:
די אידעאַלע עפעקטיווקייט פון דעם מאַשין איז:
אידעאלע עפעקטיווקייט, אויך באקאנט אלס קארנאט עפעקטיווקייט, איז 40%. די פאקטישע מאטאר עפעקטיווקייט איז 60%. אזא מאטאר עקזיסטירט נישט. עס איז אוממעגלעך פאר א מאטאר'ס עפעקטיווקייט צו איבערשטייגן קארנאט עפעקטיווקייט.
בייַשפּיל קשיא 4:
כּדי די עפֿעקטיווקייט פֿון דעם קאַרנאָט מאָטאָר זאָל דערגרייכן 100% (1), וואָס איז די נויטיקע אויספּוסט טעמפּעראַטור (TL )?
דיסקוסיע
כּדי די עפֿעקטיווקייט פֿון אַ פּערפֿעקטן היץ־מאָטאָר זאָל דערגרייכן 100% (אַלע די אַרײַנגעגעבענע היץ קען גענוצט ווערן צו טאָן אַרבעט), מוז די אויספּוסט־טעמפּעראַטור (TL ) זײַן = 0 קעלווין.
דערגרייכן א טעמפעראטור פון 0 קעלווין איז אוממעגלעך. די אויסזאג איז דער דריטער געזעץ פון טערמאדינאמיק.
ווייל 0 קעלווין איז אוממעגלעך צו דערגרייכן, קען א פערפעקטע היץ מאטאר נישט מעגלעך האבן 100% עפעקטיווקייט. אפילו א פערפעקטע היץ מאטאר קען נישט האבן 100% עפעקטיווקייט, לאמיר נישט רעדן פון די היץ מאטארן וואס מיר ניצן אין טעגליכן לעבן.
זינט 100% עפעקטיווקייט קען נישט דערגרייכט ווערן דורך א היץ מאטאר, קענען מיר אויספירן אז עס איז אוממעגלעך פאר אלע אריינגעגעבענע היץ (QH ) צו ווערן גענוצט צו טאן ארבעט. עס מוז זיין א געוויסע היץ פארלוירן (QL ).
עס איז אוממעגלעך פאר א היץ מאטאר (וואס ארבעט אין א ציקל) צו פארוואנדלען אלע היץ אין ארבעט (צווייטער געזעץ פון טערמאדינאמיק – קעלווין-פלאנק סטעיטמענט).
דער פעט-געשריבענער, איטאַליזירטער טעקסט אויבן איז אַ ספּעציעלע אויסזאָג פון דעם צווייטן געזעץ פון טערמאָדינאַמיק. עס ווערט גערופן אַ ספּעציעלע אויסזאָג ווייל עס גילט נאָר פֿאַר היץ-מאָטאָרן. ווייל קעלווין און פּלאַנק האָבן עס פאָרמולירט, ווערט עס אויך גערופן די קעלווין-פּלאַנק אויסזאָג. באַמערקט די אנוועזנהייט פון דעם וואָרט "ציקל" אין דער אויסזאָג אויבן. אַ ציקל איז אַ פּראָצעס וואָס פּאַסירט איבער און איבער. אַזוי, אַ היץ-מאָטאָר אַרבעט קאָנטינויִערלעך. דאָס וואָרט "ציקל" איז צוגעגעבן ווייל, אין פאַקט, קען אַלע היץ ווערן פאַרוואַנדלט אין אַרבעט אויב דער פּראָצעס פּאַסירט נאָר איין מאָל.
אין דעם ערשטן געזעץ פון טערמאדינאמיק, זענען עטלעכע טערמאדינאמישע פראצעסן דערקלערט געווארן, אריינגערעכנט איזאטערמישע, איזאבארישע, איזאכארישע, און אדיאבאטישע פראצעסן. אין אן איזאטערמישן פראצעס, קען אלע היץ ווערן פארוואנדלט אין ארבעט (Q = W). דאס קען פאסירן אויב דער פראצעס פאסירט אין נאר איין שטאפל. באטראכט דאס בילד אונטן:
די גראַפיק ווייזט אַן איזאָטערמישן פּראָצעס (איזאָטערמישע יקספּאַנשאַן) וואָס פּאַסירט אין אַן איינציקן שריט. אין דעם פּראָצעס ווערט אַלע היץ (Q) פאַרוואַנדלט אין אַרבעט (W). די סומע אַרבעט געטאָן = די שאַטירטע געגנט.
כּדי צו זײַן נוצלעך, מוז אַ היץ־מאָטאָר אַרבעטן קאָנטינויִערלעך (דער פּראָצעס מוז פּאַסירן איבערחזרן, נישט נאָר אין איין שטאַפּל). למשל, אַ צוריקקערנדיקער דאַמף־מאָטאָר. דער פּיסטאָן אין אַ צוריקקערנדיקער דאַמף־מאָטאָר מוז זיך באַוועגן קאָנטינויִערלעך צו רעכטס און לינקס כּדי דאָס ראָד זאָל זיך קענען דרייען (קען געניצט ווערן צו באַוועגן עפּעס). דאָס ראָד קען זיך נישט דרייען אויב דער פּיסטאָן באַוועגט זיך נאָר צו רעכטס, נאָכדעם שטעלט עס זיך אָפּ (דער פּראָצעס פּאַסירט נאָר אין איין שטאַפּל). אויב דער פּראָצעס פּאַסירט איבערחזרן (דער פּיסטאָן באַוועגט זיך קאָנטינויִערלעך צו רעכטס און לינקס), איז עס אוממעגלעך פֿאַר אַלע היץ צו ווערן קאָנווערטירט אין אַרבעט (קעלווין־פּלאַנק'ס אויסזאָג). למשל, לאָמיר באַטראַכטן דעם איזאָטערמישן פּראָצעס וואָס ווערט געוויזן אין דער גראַפיק אויבן.
דער גראַף אויף דער לינקער זייט ווייזט איזאָטערמישע עקספּאַנשאַן (אַראָפּגייענדיקער פײַל) און איזאָטערמישע קאַמפּרעסיע (אַראָפּגייענדיקער פײַל). דער פּראָצעס פּאַסירט קאָנטינויִערלעך איזאָטערמיש (קיין אַרבעט ווערט נישט פּראָדוצירט). דער גראַף אויף דער רעכטער זייט ווייזט איזאָטערמישע עקספּאַנשאַן (אַראָפּגייענדיקער פײַל), איזאָבאַרישע קאַמפּרעסיע (לינקער פײַל), און איזאָכאָרישער פּראָצעס (אַראָפּגייענדיקער פײַל). פֿון די צוויי גראַפֿן איז קלאָר, אַז פֿאַר פּראָצעסן וואָס פּאַסירן קאָנטינויִערלעך (ציקל), איז שטענדיק דאָ היץ פֿאַרלוסט. דאָס איז אין איינקלאַנג מיט דער פֿריִערדיקער קעלווין-פּלאַנק אויסזאָג.
