Kai kalbame fizikoje ir termodinamikoje Karno ciklas mes turime omenyje procesų, vykstančių Carnot variklyje, seką. Tai idealus prietaisas, susidedantis tik iš kelių grįžtamojo tipo procesų. Tai reiškia, kad įvykus šiems procesams, pradinė būsena gali būti atnaujinta. Šis variklio tipas fizikoje laikomas idealiu varikliu ir naudojamas norint suplanuoti likusius variklius.
Šiame straipsnyje mes jums pasakysime viską, ką reikia žinoti apie Carnot ciklą ir jo pagrindines savybes.
pagrindinės funkcijos
Mes kalbame, kad tokio tipo varikliai laikomi idealiu varikliu. Taip yra todėl, kad trūksta energijos dėl trinties su žeme ar oru ir bet kokio klampumo. Visos šios charakteristikos ar trūkumai atsiranda bet kuriame realiame variklyje, nes neįmanoma 100% paversti šilumos energijos naudingu darbu. Tačiau Carnot'o krūva gali imituoti visas šias sąlygas, kad galėtų dirbti geriau ir paprasčiau atlikti skaičiavimus.
Pirkdami variklį mes tai darome pradėdami nuo medžiagos, galinčios dirbti. Pavyzdžiui, pagrindinės naudojamos medžiagos yra dujos, benzinas arba garai. Kai šioms medžiagoms, kurios gali dirbti, yra įvairūs temperatūros ir slėgio pokyčiai, jie sukuria tam tikrus jų apimties pokyčius. Tokiu būdu stūmoklis gali būti pajudintas cilindre, kad būtų variklis.
Kas yra Carnot ciklas?
Šis ciklas vyksta sistemoje, vadinamoje „Carnot“ varikliu. Šiame variklyje yra idealios dujos, kurios yra uždarytos cilindre ir kurios yra su stūmokliu. Stūmoklis liečiasi su įvairiais šaltiniais, kurių temperatūra yra skirtinga. Šioje sistemoje yra keletas procesų, kuriuos matome atlikdami šiuos veiksmus:
- Į prietaisą tiekiamas tam tikras šilumos kiekis. Šis šilumos kiekis gaunamas iš aukštos temperatūros terminio rezervuaro.
- Variklis dirba dėl šios tiekiamos šilumos
- Dalis šilumos sunaudojama, o kita - švaistoma. Atliekos perduodamos į žemesnės temperatūros terminį rezervuarą.
Pamatę visus procesus, pamatysime, kokie yra Karno ciklo etapai. Šių procesų analizė atliekama naudojant diagramą, kurioje matuojamas slėgis ir tūris. Variklio paskirtis gali būti tiek, kad antrasis bakas būtų vėsus, iš jo išgaunant šilumą. Šiuo atveju kalbėsime apie aušinimo aparatą. Jei priešingai, tikslas yra perduoti šilumą į terminį rezervuarą numeris vienas, tada kalbame apie šilumos siurblį.
Išanalizavę slėgio ir tūrio diagramą matome, kad variklio slėgio ir temperatūros pokyčiai rodomi esant šioms sąlygoms:
- Kol temperatūra palaikoma pastovi. Čia mes kalbame apie izoterminį procesą.
- Nėra šilumos perdavimo. Čia mes turime šilumos izoliaciją.
Izoterminiai procesai turi būti sujungti vienas su kitu ir tai pasiekiama šilumos izoliacijos dėka.
Karno ciklo etapai
Pradiniame taške galime pradėti nuo bet kurios ciklo dalies, kurioje dujos turi tam tikras slėgio, tūrio ir temperatūros sąlygas. Tai ir dujos atliks daugybę procesų, kurie galės juos grąžinti į pradines sąlygas. Kai dujos grįžo į pradines sąlygas, jos buvo puikios būklės norint pradėti kitą ciklą. Šios sąlygos suteikiamos tol, kol vidinė energija pabaigoje yra tokia pati kaip pradžioje esanti vidinė energija. Tai reiškia, kad energija yra taupoma. Mes jau žinome, kad energija nėra nei sukurta, nei sunaikinta, o tik transformuojama.
Pirmasis Carnot ciklo etapas pagrįstas izotermine plėtra. Šiame etape sistema absorbuoja šilumą iš terminio rezervuaro 1 ir patiria izoterminį išsiplėtimą. Vadinasi, dujų tūris didėja, o slėgis mažėja. Tačiau temperatūra išlieka stabili, nes išsiplėtus dujoms, jos atvėsta. Todėl mes žinome, kad jo vidinė energija laikui bėgant išlieka pastovi.
Antrame etape turime a adiabatinė plėtra. Adiabatinis reiškia, kad sistema neįgyja ir nepraranda šilumos. Tai pasiekiama įdėjus dujas į šilumos izoliaciją, kaip nurodyta aukščiau. Todėl adiabatinio išsiplėtimo metu tūris didėja, o slėgis mažėja, kol pasiekia žemiausią vertę.
Į trečiasis etapas turime izoterminį suspaudimą. Čia mes pašaliname izoliaciją, o sistema liečiasi su 2 terminiu rezervuaru, kurio temperatūra bus žemesnė. Todėl sistema yra atsakinga už šiluminės atliekos, kuri nebuvo panaudota, perdavimą į šį terminį rezervuarą. Kai šiluma išsiskiria, slėgis pradeda didėti, o tūris mažėti.
Galiausiai paskutiniame Karno ciklo etape turime aadiabatinis suspaudimas. Čia grįžtame į sistemos šilumos izoliacijos etapą. Slėgis padidina tūrį, kol vėl pasiekia pradines sąlygas. Todėl ciklas yra paruoštas pradėti iš naujo.
Apribojimai
Kaip minėta anksčiau, „Carnot“ variklis yra idealizuotas. Tai reiškia, kad jis turi savo apribojimus nuo tikri varikliai neturi tokio 100% efektyvumo. Mes žinome, kad dviejų „Carnot“ mašinų efektyvumas yra vienodas, jei jos abi veikia su tomis pačiomis šiluminėmis talpyklomis. Šis teiginys reiškia, kad man rūpi, kokią medžiagą naudojame, nes spektaklis bus visiškai nepriklausomas ir jo negalima pakelti.
Išvada, kurią darome iš ankstesnės analizės, yra ta, kad Carnot ciklas yra termodinaminio proceso viršuje, kurį galima idealiai pasiekti. Kitaip tariant, be to, nebus didesnio efektyvumo variklio. Mes žinome, kad šilumos izoliacija niekada nėra tobula ir nėra adiabatinių etapų, nes vyksta šilumos mainai su išorine dalimi.
Automobilio atveju variklio blokas įkaista ir, kita vertus, benzino ir oro mišinys neveikia tiksliai, jūs bendraujate idealiai. Jau nekalbant apie kai kuriuos veiksnius sukelti drastišką našumo sumažėjimą.
Tikiuosi, kad turėdami šią informaciją galite sužinoti daugiau apie Karno ciklą ir jo ypatybes.