Kun puhumme fysiikassa ja termodynamiikassa Carnot-sykli tarkoitamme sarjaa prosesseja, jotka tapahtuvat Carnot-moottorissa. Se on ihanteellinen laite, joka koostuu vain muutamasta käännettävän tyyppisestä prosessista. Tämä tarkoittaa, että kun nämä prosessit ovat tapahtuneet, alkutilaa voidaan jatkaa. Tämän tyyppistä moottoria pidetään fysiikassa ihanteellisena moottorina, ja sitä käytetään muiden moottoreiden suunnitteluun.
Tässä artikkelissa kerromme sinulle kaiken, mitä sinun tarvitsee tietää Carnot-syklistä ja sen pääominaisuuksista.
Tärkeimmät ominaisuudet
Puhumme, että tämän tyyppistä moottoria pidetään ihanteellisena moottorina. Näin on, koska siitä puuttuu energian haihtuminen maan tai ilman kanssa tapahtuvan kitkan ja minkään tyyppisen viskositeetin vuoksi. Kaikki nämä ominaisuudet tai haitat ilmenevät kaikissa todellisissa moottoreissa, koska lämpöenergiaa on mahdotonta muuntaa käyttökelpoiseksi työksi 100%. Carnot-kasa voi kuitenkin simuloida kaikkia näitä olosuhteita voidakseen toimia paremmin ja tehdä laskelmia yksinkertaisemmalla tavalla.
Kun ostamme moottorin, teemme sen lähtemällä aineesta, joka kykenee tekemään työtä. Esimerkiksi tärkeimmät käytetyt aineet ovat kaasu, bensiini tai höyry. Kun nämä aineet, jotka pystyvät tekemään työtä, altistuvat erilaisille lämpötilan ja paineen muutoksille, ne tuottavat joitain vaihteluja tilavuudessaan. Tällä tavalla mäntää voidaan liikuttaa sylinterin sisällä moottorin saamiseksi.
Mikä on Carnot-sykli?
Tämä jakso tapahtuu Carnot-moottoriksi kutsutun järjestelmän sisällä. Tässä moottorissa on ihanteellinen kaasu, joka on suljettu sylinteriin ja joka on varustettu männällä. Mäntä on kosketuksessa eri lähteiden kanssa, jotka ovat eri lämpötiloissa. Tässä järjestelmässä on joitain prosesseja, jotka näemme seuraavissa vaiheissa:
- Laitteeseen syötetään tietty määrä lämpöä. Tämä lämpömäärä tulee korkean lämpötilan lämpösäiliöstä.
- Moottori suorittaa työtä tämän syötettävän lämmön ansiosta
- Osa lämmöstä käytetään ja osa hukkaan. Jätteet siirretään lämpösäiliöön, joka on alhaisemmassa lämpötilassa.
Kun olemme nähneet kaikki prosessit, aiomme nähdä, mitkä ovat Carnot-syklin vaiheet. Näiden prosessien analyysi suoritetaan käyttämällä kaaviota, jossa mitataan paine ja tilavuus. Moottorin tarkoitus voi olla joko pitää säiliö numero kaksi viileänä imemällä siitä lämpöä. Tässä tapauksessa puhumme jäähdytyskoneesta. Jos päinvastoin tavoitteena on siirtää lämpöä lämpösäiliöön numero yksi, puhumme lämpöpumpusta.
Jos analysoimme paine- ja tilavuuskaaviota, näemme, että moottorin paineen ja lämpötilan muutokset näkyvät tietyissä olosuhteissa, jotka ovat seuraavat:
- Niin kauan kuin lämpötila pidetään vakiona. Tässä puhumme isotermisestä prosessista.
- Ei lämmönsiirtoa. Täällä meillä on lämpöeristys.
Isotermiset prosessit on kytkettävä toisiinsa, ja tämä saavutetaan lämpöeristyksen ansiosta.
Carnot-jakson vaiheet
Aloituskohdassa voidaan aloittaa mikä tahansa syklin osa, jossa kaasulla on tietyt paine-, tilavuus- ja lämpötilaolosuhteet. Tämä ja kaasu käyvät läpi useita prosesseja, jotka johtavat sen palaamaan lähtöolosuhteisiin. Kun kaasu oli palannut alkuperäisiin olosuhteisiinsa, se oli täydellisessä kunnossa aloittaa uusi kierto. Nämä ehdot annetaan niin kauan kuin sisäinen energia lopussa on sama kuin alussa oleva sisäinen energia. Tämä tarkoittaa, että energiaa säästyy. Tiedämme jo, että energiaa ei luoda eikä tuhota, vaan vain muutetaan.
Carnot-syklin ensimmäinen vaihe perustuu isotermiseen laajenemiseen. Tässä vaiheessa järjestelmä absorboi lämpöä lämpösäiliöstä 1 ja käy läpi isotermisen laajenemisen. Siksi kaasun tilavuus kasvaa ja paine laskee. Lämpötila pysyy kuitenkin vakaana, koska kun kaasu laajenee, se jäähtyy. Siksi tiedämme, että sen sisäinen energia pysyy vakiona ajan myötä.
Toisessa vaiheessa meillä on a adiabaattinen laajentuminen. Adiabaattinen tarkoittaa, että järjestelmä ei saa tai menetä lämpöä. Tämä saavutetaan sijoittamalla kaasu lämpöeristykseen yllä esitetyllä tavalla. Siksi adiabaattisessa laajennuksessa tilavuus kasvaa ja paine laskee, kunnes se saavuttaa pienimmän arvonsa.
Että kolmannessa vaiheessa meillä on isoterminen puristus. Täällä poistamme eristeen ja järjestelmä joutuu kosketuksiin lämpösäiliön numero 2 kanssa, joka on alhaisemmassa lämpötilassa. Siksi järjestelmä on vastuussa käyttämättömän hukkalämmön siirtämisestä tähän lämpösäiliöön. Lämmön vapautuessa paine alkaa kasvaa ja tilavuus pienenee.
Lopuksi, Carnot-syklin viimeisessä vaiheessa meillä on aadiabaattinen puristus. Tässä palataan järjestelmän lämmöneristysvaiheeseen. Paine lisää äänenvoimakkuutta, kunnes se saavuttaa taas alkuperäiset olosuhteet. Siksi sykli on valmis aloittamaan uudelleen.
rajoituksia
Kuten aiemmin mainittiin, Carnotin moottori on idealisoitu. Tämä tarkoittaa, että sillä on rajoituksia vuodesta todellisilla moottoreilla ei ole sitä 100-prosenttista hyötysuhdetta. Tiedämme, että kahdella Carnot-koneella on sama hyötysuhde, jos molemmat toimivat samoilla lämpösäiliöillä. Tämä lausunto tarkoittaa, että välitän siitä, mitä ainetta käytämme, koska esitys on täysin riippumaton eikä sitä voida nostaa.
Edellisestä analyysistä johtopäätös on, että Carnot-sykli on termodynaamisen prosessin huippu, johon voidaan ihanteellisesti päästä. Toisin sanoen, ei ole moottoria, jolla olisi suurempi hyötysuhde. Tiedämme, että lämpöeristys ei ole koskaan täydellinen eikä adiabaattisia vaiheita ole olemassa, koska lämmönvaihto tapahtuu ulkopuolen kanssa.
Autossa moottorilohko lämpenee, ja toisaalta bensiinin ja ilman seos ei toimi tarkalleen, kommunikoi ihanteellisesti. Puhumattakaan joistakin tekijöistä aiheuttaa huomattavaa suorituskyvyn heikkenemistä.
Toivon, että näiden tietojen avulla voit oppia lisää Carnot-syklistä ja sen ominaisuuksista.