Amikor a fizikában és a termodinamikában beszélünk a Carnot-ciklus a Carnot motorban zajló folyamatok sorozatára utalunk. Ez egy ideális eszköz, amely csak néhány reverzibilis típusú folyamatból áll. Ez azt jelenti, hogy miután ezek a folyamatok lezajlottak, a kezdeti állapot folytatható. Ezt a motortípust a fizika ideális motornak tekinti, és arra használják, hogy meg tudja tervezni a többi motort.
Ebben a cikkben elmondunk mindent, amit tudnia kell a Carnot-ciklusról és annak főbb jellemzőiről.
Főbb jellemzők
Arról beszélünk, hogy ezt a motortípust ideális motornak tekintik. Ez azért van így, mert hiányzik belőle az energia eloszlása a talajjal vagy a levegővel való súrlódás miatt, és nincs viszkozitása. Mindezek a jellemzők vagy hátrányok bármely valós motorban felmerülnek, mivel lehetetlen 100% -kal átalakítani a hőenergiát felhasználható munkává. A Carnot-halom azonban képes szimulálni mindezeket a feltételeket, hogy jobban tudjon működni és egyszerűbben számolhasson.
Amikor motort vásárolunk, olyan anyagból indulunk ki, amely képes a munkavégzésre. Például a fő anyagok a gáz, a benzin vagy a gőz. Ha ezekre az anyagokra, amelyek képesek a munkavégzésre, a hőmérséklet és a nyomás különböző változásainak vannak kitéve, térfogatukban némi variációt generálnak. Ily módon egy dugattyút lehet mozgatni a hengeren belül, hogy a motor legyen.
Mi a Carnot-ciklus?
Ez a ciklus a Carnot motor nevű rendszeren belül zajlik. Ebben a motorban van egy ideális gáz, amely hengerbe van zárva és dugattyúval van ellátva. A dugattyú különböző forrásokkal érintkezik, amelyek különböző hőmérsékleten vannak. Ebben a rendszerben vannak olyan folyamatok, amelyeket a következő lépésekben láthatunk:
- Bizonyos mennyiségű hő kerül a készülékbe. Ez a hőmennyiség a magas hőmérsékletű hőtárolóból származik.
- A motor ennek a betáplált hőnek köszönhetően végez munkát
- A hő egy részét felhasználják, egy részét pedig pazarolják. A hulladékot az alacsonyabb hőmérsékletű hőtartályba vezetik.
Miután megláttuk az összes folyamatot, meg fogjuk nézni, hogy mi a Carnot-ciklus szakasza. Ezeknek a folyamatoknak az elemzését diagram segítségével hajtják végre, amelyben a nyomást és a térfogatot mérik. A motor célja lehet az is, hogy a második tartály hűvös maradjon, hőt nyerve belőle. Ebben az esetben egy hűtőgépről lesz szó. Ha éppen ellenkezőleg, az a cél, hogy a hőt az első számú hőtartályba továbbítsuk, akkor hőszivattyúról beszélünk.
Ha nyomás- és térfogatdiagramot elemezünk, azt látjuk, hogy a motor nyomásának és hőmérsékletének változásai bizonyos feltételek mellett megjelennek, amelyek a következők:
- Amíg a hőmérsékletet állandó értéken tartják. Itt izoterm folyamatról beszélünk.
- Nincs hőátadás. Itt van hőszigetelésünk.
Az izoterm folyamatokat össze kell kapcsolni, és ez a hőszigetelésnek köszönhetően valósul meg.
A Carnot-ciklus szakaszai
A kiindulási pontnál a ciklus bármely részével indulhatunk, amelyben a gáznak bizonyos nyomás-, térfogat- és hőmérsékleti viszonyai vannak. Ez és a gáz egy sor olyan folyamaton megy keresztül, amelyek visszavezetik a kiindulási körülményekhez. Miután a gáz visszatért a kezdeti állapotba, tökéletes állapotban volt egy újabb ciklus megkezdéséhez. Ezek a feltételek mindaddig adottak, amíg a belső energia a végén megegyezik az elején lévő belső energiával. Ez azt jelenti, hogy az energia megmarad. Azt már tudjuk, hogy az energia nem jön létre és nem semmisül meg, csak átalakul.
A Carnot-ciklus első szakasza izotermikus terjeszkedésen alapul. Ebben a szakaszban a rendszer elnyeli az 1 termikus tartály hőjét, és izotermikus táguláson megy keresztül. Ezért a gáz térfogata nő és a nyomás csökken. A hőmérséklet azonban stabil marad, mivel amikor a gáz kitágul, lehűl. Ezért tudjuk, hogy belső energiája idővel állandó marad.
A második szakaszban a adiabatikus terjeszkedés. Az adiabatikus azt jelenti, hogy a rendszer nem szerez vagy veszít hőt. Ez úgy érhető el, hogy a gázt a fentiek szerint hőszigetelésbe helyezzük. Ezért egy adiabatikus táguláskor a térfogat növekszik és a nyomás csökken, amíg el nem éri a legalacsonyabb értéket.
Az harmadik szakaszban van egy izoterm kompresszió. Itt eltávolítjuk a szigetelést, és a rendszer érintkezésbe kerül a 2. számú hőtartállyal, amely alacsonyabb hőmérsékleten lesz. Ezért a rendszer felelős a fel nem használt hulladékhő átadásáért erre a hőtartályra. A hő felszabadulásával a nyomás növekszik és a térfogat csökken.
Végül a Carnot-ciklus utolsó szakaszában aadiabatikus tömörítés. Itt térünk vissza a rendszer hőszigetelésének szakaszához. A nyomás növeli a térfogat csökkenését, amíg újra el nem éri a kezdeti feltételeket. Ezért a ciklus készen áll az újrakezdésre.
korlátozások
Mint korábban említettük, a Carnot motorja idealizált. Ez azt jelenti, hogy azóta vannak korlátai a valódi motorok nem rendelkeznek ezzel a 100% -os hatékonysággal. Tudjuk, hogy két Carnot-gép ugyanolyan hatékonyságú, ha mindkettő ugyanazzal a hőtárolóval működik. Ez az állítás azt jelenti, hogy érdekel, hogy milyen anyagot használunk, mivel a teljesítmény teljesen független lesz, és nem emelhető.
Az előző elemzésből levont következtetés az, hogy a Carnot-ciklus a termodinamikai folyamat csúcsa, amely ideálisan elérhető. Vagyis ezen túl nem lesz nagyobb hatékonyságú motor. Tudjuk, hogy a hőszigetelés soha nem tökéletes, és az adiabatikus szakaszok nem léteznek, mivel a külsővel hőcsere folyik.
Autó esetén a motorblokk felmelegszik, másrészt a benzin és a levegő keveréke nem viselkedik pontosan, ideálisan kommunikál. Nem beszélve néhány tényezőről drasztikus teljesítménycsökkenést okozhat.
Remélem, hogy ezekkel az információkkal többet megtudhat a Carnot-ciklusról és annak jellemzőiről.