Kada govorimo u fizici i termodinamici Carnotov ciklus mislimo na slijed procesa koji se odvijaju u Carnotovom motoru. To je idealan uređaj koji se sastoji od samo nekoliko reverzibilnih procesa. To znači da nakon što se ti procesi održe, početno stanje se može nastaviti. Ovaj tip motora se u fizici smatra idealnim motorom i koristi se za planiranje ostatka motora.
U ovom ćemo vam članku reći sve što trebate znati o Carnotovom ciklusu i njegovim glavnim karakteristikama.
Glavne karakteristike
Govorimo da se ovaj tip motora smatra idealnim motorom. To je tako jer mu nedostaje rasipanje energije zbog trenja sa zemljom ili zrakom i nema vrste viskoznosti. Sve ove karakteristike ili nedostaci nastaju u bilo kojem stvarnom motoru, budući da nemoguće je pretvoriti toplotnu energiju u 100% iskoristiv posao. Međutim, Carnotova gomila može simulirati sve ove uvjete kako bi mogla bolje raditi i lakše vršiti proračune.
Kada kupujemo motor, radimo ga polazeći od supstance koja može raditi. Na primjer, glavne supstance koje se koriste su plin, benzin ili para. Kada su ove supstance sposobne za rad podvrgnute različitim promjenama temperature i pritiska, generiraju neke varijacije u njihovom volumenu. Na taj se način klip može pomicati unutar cilindra kako bi imao motor.
Što je Carnotov ciklus?
Ovaj se ciklus događa u sistemu koji se naziva Carnotov motor. U ovom motoru postoji idealan plin koji je zatvoren u cilindar i koji ima klip. Klip je u kontaktu s raznim izvorima koji su na različitim temperaturama. U ovom sistemu se događaju neki procesi koje možemo sažeti u slijedećim koracima:
- U uređaj se isporučuje određena količina toplote. Ova količina toplote dolazi iz termičkog rezervoara visoke temperature.
- Motor izvodi rad zahvaljujući ovoj toploti koja bi se napajala
- Dio toplote se koristi, a dio troši. Otpad se prenosi u termalni spremnik na nižoj temperaturi.
Jednom kada vidimo sve procese, vidjet ćemo koje su faze Carnotovog ciklusa. Analiza ovih procesa vrši se pomoću dijagrama u kojem se mjere pritisak i zapremina. Svrha motora može biti hlađenje spremnika broj dva hlađenjem izvlačenjem topline iz njega. U ovom slučaju govorit ćemo o rashladnoj mašini. Ako je, naprotiv, cilj prenijeti toplinu u termalni rezervoar broj jedan, tada ćemo govoriti o toplotnoj pumpi.
Ako analiziramo dijagram pritiska i zapremine, vidimo da se promjene pritiska i temperature motora prikazuju pod određenim uvjetima koji su sljedeći:
- Sve dok se temperatura održava konstantnom. Ovdje govorimo o izotermnom procesu.
- Nema prijenosa toplote. Tu imamo toplotnu izolaciju.
Izotermni procesi moraju biti povezani jedni s drugima, a to se postiže zahvaljujući toplotnoj izolaciji.
Faze Carnotovog ciklusa
U početnoj točki možemo započeti s bilo kojim dijelom ciklusa u kojem plin ima određene uvjete tlaka, zapremine i temperature. To će i plin proći kroz niz procesa koji će ga dovesti do povratka u početne uvjete. Nakon što se plin vratio u početne uvjete, bio je u savršenom stanju za pokretanje novog ciklusa. Ovi se uslovi daju sve dok je unutrašnja energija na kraju ista kao i unutrašnja energija na početku. To znači da se energija čuva. Već znamo da se energija ne stvara niti uništava, već samo transformiše.
Prva faza Carnotovog ciklusa temelji se na izotermnom širenju. U ovoj fazi sistem apsorbira toplinu iz termalnog spremnika 1 i prolazi kroz izotermno širenje. Stoga se zapremina gasa povećava, a pritisak smanjuje. Međutim, temperatura ostaje stabilna, jer kada se plin proširi, on se hladi. Stoga znamo da njegova unutarnja energija ostaje konstantna tijekom vremena.
U drugoj fazi imamo adijabatsko širenje. Adijabatski znači da sistem ne dobija ili gubi toplotu. To se postiže postavljanjem plina u toplotnu izolaciju kao što je gore navedeno. Stoga se u adijabatskom širenju volumen povećava, a pritisak smanjuje dok ne dostigne najnižu vrijednost.
u treća faza imamo izotermalnu kompresiju. Ovdje uklanjamo izolaciju i sustav dolazi u kontakt s termalnim spremnikom broj 2, koji će biti na nižoj temperaturi. Stoga je sistem odgovoran za prijenos otpadne topline koja nije korištena u ovaj termalni spremnik. Kako se toplota oslobađa, pritisak počinje rasti, a zapremina opadati.
Konačno, u posljednjoj fazi Carnotovog ciklusa imamoadijabatska kompresija. Tu se vraćamo u fazu toplotne izolacije od strane sistema. Pritisak povećava zapreminu, smanjuje se dok se ponovo ne postignu početni uslovi. Stoga je ciklus spreman za ponovni početak.
Ograničenja
Kao što je već spomenuto, Carnotov motor je idealiziran. To znači da od tada ima svoja ograničenja pravi motori nemaju tu stopostotnu efikasnost. Znamo da dvije Carnotove mašine imaju jednaku efikasnost ako obje rade s istim termalnim rezervoarima. Ova izjava znači da me briga koju supstancu koristimo, jer će izvedba biti potpuno neovisna i ne može se podići.
Zaključak koji izvlačimo iz prethodne analize je da je Carnotov ciklus vrh termodinamičkog procesa do kojeg se idealno može doći. Odnosno, osim toga, neće biti motora s većom efikasnošću. Znamo da činjenica toplotne izolacije nikada nije savršena i da adijabatski stupnjevi ne postoje, jer postoji izmjena topline s vanjske strane.
U slučaju automobila, blok motora se zagrijava, a s druge strane, mješavina benzina i zraka ne ponaša se točno, idealno komunicirate. A da se ne spominju neki faktori koji uzrokuju drastično smanjenje performansi.
Nadam se da ćete s ovim informacijama saznati više o Carnotovom ciklusu i njegovim karakteristikama.