מחזור קרנוט

כאשר אנו מדברים בפיזיקה ותרמודינמיקה של מחזור קרנוט אנו מתכוונים לרצף של תהליכים המתרחשים במנוע קרנו. זהו מכשיר אידיאלי המורכב מכמה תהליכים מסוג הפיך בלבד. המשמעות היא שברגע שתהליכים אלה התרחשו, ניתן לחדש את המצב ההתחלתי. סוג זה של מנוע נחשב בפיזיקה כמנוע אידיאלי ומשמש כדי להיות מסוגל לתכנן את שאר המנועים.

במאמר זה אנו הולכים לספר לך את כל מה שאתה צריך לדעת על מחזור קרנו ומאפייניו העיקריים.

תכונות עיקריות

אנו מדברים כי סוג זה של מנוע נחשב כמנוע אידיאלי. זאת מכיוון שהוא חסר פיזור אנרגיה, בגלל חיכוך עם הקרקע או האוויר וכל סוג של צמיגות. כל המאפיינים או החסרונות הללו נוצרים בכל מנוע אמיתי, שכן אי אפשר להמיר אנרגיה תרמית בעבודה שמיש ב 100%. עם זאת, ערמת קרנוט יכולה לדמות את כל התנאים הללו כדי להיות מסוגלים לעבוד טוב יותר ולעשות חישובים בצורה פשוטה יותר.

כשאנחנו קונים מנוע, אנו עושים זאת החל מחומר שמסוגל לבצע עבודה. לדוגמא, החומרים העיקריים המשמשים הם גז, בנזין או קיטור. כאשר חומרים אלה המסוגלים לעשות עבודה נתונים לשינויים שונים בטמפרטורה ובלחץ, ליצור כמה שינויים בנפח שלהם. באופן זה, ניתן להזיז בוכנה בתוך גליל כדי לקבל את המנוע.

מהו מחזור קרנוט?

מחזור זה מתרחש בתוך מערכת הנקראת מנוע קרנו. במנוע זה קיים גז אידיאלי הסגור בתוך גליל ומסופק עם בוכנה. הבוכנה נמצאת במגע עם מקורות שונים הנמצאים בטמפרטורות שונות. במערכת זו ישנם כמה תהליכים שאנו יכולים לראות בשלבים הבאים:

• כמות מסוימת של חום מסופקת למכשיר. כמות חום זו מגיעה מהמאגר התרמי בטמפרטורה גבוהה.
• המנוע מבצע עבודות הודות לחום זה שיסופק
• חלק מהחום משמש וחלק מבוזבז. הפסולת מועברת למיכל התרמי שנמצא בטמפרטורה נמוכה יותר.

לאחר שראינו את כל התהליכים, אנו הולכים לראות מהם שלבי מחזור הקארנו. ניתוח התהליכים הללו מתבצע באמצעות דיאגרמה בה נמדדים לחץ ונפח. מטרת המנוע יכולה להיות לשמור על קרירות מיכל מספר שתיים על ידי הפקת חום ממנו. במקרה זה נדבר על מכונת קירור. אם להיפך, המטרה היא להעביר חום למאגר התרמי מספר אחד, אז אנחנו מדברים על משאבת חום.

אם אנו מנתחים דיאגרמת לחץ ונפח נראה כי שינויים בלחץ ובטמפרטורה של המנוע מוצגים בתנאים מסוימים הבאים:

• כל עוד הטמפרטורה נשמרת קבועה. כאן אנו מדברים על תהליך איזותרמי.
• ללא העברת חום. זה המקום בו יש לנו בידוד תרמי.

צריך לחבר תהליכים איזותרמיים זה לזה וזה מושג בזכות בידוד תרמי.

שלבי מחזור קרנו

בנקודת ההתחלה אנו יכולים להתחיל בכל חלק של המחזור בו יש לגז תנאים מסוימים של לחץ, נפח וטמפרטורה. זה וגז יעבור סדרת תהליכים שיובילו אותו לחזור לתנאי ההתחלה. לאחר שהגז חזר למצביו הראשוניים, הוא היה במצב מושלם להתחיל מחזור נוסף. תנאים אלה ניתנים כל עוד האנרגיה הפנימית בסוף זהה לאנרגיה הפנימית בהתחלה. משמעות הדבר היא כי האנרגיה נשמרת. אנחנו כבר יודעים שאנרגיה לא נוצרת ולא נהרסת, אלא רק הופכת.

השלב הראשון של מחזור קרנו מבוסס על התרחבות איזותרמית. בשלב זה המערכת סופגת חום מהמיכל התרמי 1 ועוברת התרחבות איזותרמית. מכאן שנפח הגז גדל והלחץ פוחת. עם זאת, הטמפרטורה נשארת יציבה מאז שהגז מתרחב הוא מתקרר. לכן אנו יודעים שהאנרגיה הפנימית שלה נשארת קבועה לאורך זמן.

בשלב השני יש לנו הרחבה אדיאבטית. Adiabatic פירושו שהמערכת לא צוברת או מאבדת חום. זה מושג על ידי הצבת הגז בבידוד חום כפי שצוין לעיל. לכן, בהרחבה אדיאבטית הנפח גדל והלחץ פוחת עד שהוא מגיע לערכו הנמוך ביותר.

ב בשלב השלישי יש לנו דחיסה איזותרמית. כאן אנו מסירים את הבידוד והמערכת באה במגע עם מיכל תרמי מספר 2, שיהיה בטמפרטורה נמוכה יותר. מסיבה זו המערכת אחראית על העברת הפסולת החום שלא נוצלה למיכל תרמי זה. ככל שהחום משתחרר, הלחץ מתחיל לעלות והנפח לרדת.

לבסוף, בשלב האחרון של מחזור קרנו יש לנודחיסה אדיאבטית. כאן נחזור לשלב של בידוד תרמי על ידי המערכת. הלחץ מגביר את עוצמת הקול יורד עד שמגיע שוב לתנאים הראשוניים. לכן, המחזור מוכן להתחיל מחדש.

מגבלות

כאמור, המנוע של קרנו אידיאלי. פירוש הדבר שיש לו מגבלות מאז למנועים אמיתיים אין את היעילות הזו ב -100%. אנו יודעים כי שתי מכונות קרנו הן בעלות אותה יעילות אם שתיהן פועלות באותם מאגרים תרמיים. משמעות ההצהרה הזו היא שאכפת לי באיזה חומר אנו משתמשים, מכיוון שהביצועים יהיו עצמאיים לחלוטין ולא ניתן להעלות אותם.

המסקנה שנגזר מהניתוח הקודם היא שמחזור קרנו הוא החלק העליון של התהליך התרמודינמי שאליו ניתן להגיע באופן אידיאלי. כלומר, מעבר לכך, לא יהיה מנוע בעל יעילות רבה יותר. אנו יודעים שהעובדה של בידוד תרמי לעולם אינה מושלמת ושלבים אדיאבטיים אינם קיימים מכיוון שיש חילופי חום כלפי חוץ.

במקרה של מכונית, גוש המנוע מתחמם ומצד שני, תערובת הבנזין והאוויר אינה מתנהגת בדיוק, אתה מתקשר באופן אידיאלי. שלא לדבר על כמה גורמים ש לגרום לירידה דרסטית בביצועים.

אני מקווה שעם מידע זה תוכלו ללמוד עוד על מחזור קרנו ומאפייניו.