Als we spreken over natuurkunde en thermodynamica van de Carnot-cyclus we verwijzen naar een reeks processen die plaatsvinden in een Carnot-motor. Het is een ideaal apparaat dat bestaat uit slechts een paar omkeerbare processen. Dit betekent dat zodra deze processen hebben plaatsgevonden, de begintoestand kan worden hervat. Dit type motor wordt in de natuurkunde beschouwd als een ideale motor en wordt gebruikt om de rest van de motoren te kunnen plannen.
In dit artikel gaan we je alles vertellen wat je moet weten over de Carnot-cyclus en zijn belangrijkste kenmerken.
hoofdkenmerken
We hebben het erover dat dit type motor als een ideale motor wordt beschouwd. Dit is zo omdat het de dissipatie van energie mist vanwege wrijving met de grond of lucht en geen soort viscositeit. Al deze kenmerken of nadelen doen zich sindsdien voor in elke echte motor het is onmogelijk om thermische energie voor 100% om te zetten in bruikbaar werk. De Carnot-heap kan echter al deze omstandigheden simuleren om beter te kunnen werken en op een eenvoudigere manier berekeningen te maken.
Als we een motor kopen, doen we dat vanuit een stof die werk kan doen. De belangrijkste gebruikte stoffen zijn bijvoorbeeld gas, benzine of stoom. Wanneer deze werkbare stoffen onderhevig zijn aan verschillende veranderingen in temperatuur en druk, ze genereren enkele variaties in hun volume. Op deze manier kan een zuiger binnen een cilinder worden bewogen om de motor te hebben.
Wat is de Carnot-cyclus?
Deze cyclus vindt plaats binnen een systeem dat de Carnot-motor wordt genoemd. In deze motor zit een ideaal gas dat in een cilinder zit en dat is voorzien van een zuiger. De zuiger staat in contact met verschillende bronnen met verschillende temperaturen. In dit systeem zijn er enkele processen die we kunnen zien in de volgende stappen:
- Er wordt een bepaalde hoeveelheid warmte aan het apparaat geleverd. Deze hoeveelheid warmte komt uit het thermisch reservoir op hoge temperatuur.
- De motor voert werkzaamheden uit dankzij deze warmte die geleverd zou worden
- Een deel van de warmte wordt gebruikt en een deel wordt verspild. Het afval wordt overgebracht naar de thermische tank die een lagere temperatuur heeft.
Zodra we alle processen hebben gezien, gaan we kijken wat de stadia van de Carnot-cyclus zijn. De analyse van deze processen wordt uitgevoerd met behulp van een diagram waarin druk en volume worden gemeten. Het doel van de motor kan zijn om tank nummer twee koel te houden door er warmte aan te onttrekken. In dit geval hebben we het over een koelmachine. Als het daarentegen het doel is om warmte over te brengen naar het thermische reservoir een nummer één, dan hebben we het over een warmtepomp.
Als we een druk- en volumediagram analyseren, zien we dat veranderingen in de druk en temperatuur van de motor onder bepaalde omstandigheden worden weergegeven, namelijk:
- Zolang de temperatuur maar constant wordt gehouden. Hier hebben we het over een isotherm proces.
- Geen warmteoverdracht Hier hebben we thermische isolatie.
Isotherme processen moeten met elkaar worden verbonden en dit wordt bereikt dankzij thermische isolatie.
Stadia van de Carnot-cyclus
Bij het startpunt kunnen we beginnen met elk deel van de cyclus waarin het gas bepaalde omstandigheden van druk, volume en temperatuur heeft. Dit en gas zullen een reeks processen ondergaan die ertoe zullen leiden dat het terugkeert naar de beginomstandigheden. Toen het gas eenmaal was teruggekeerd naar zijn oorspronkelijke staat, was het in perfecte staat om een nieuwe cyclus te starten. Deze voorwaarden worden gegeven zolang de interne energie aan het einde dezelfde is als de interne energie aan het begin. Hierdoor wordt energie bespaard. We weten al dat energie niet wordt gecreëerd of vernietigd, maar alleen wordt getransformeerd.
De eerste fase van de Carnot-cyclus is gebaseerd op een isotherme uitzetting. In deze fase neemt het systeem warmte op van de thermische tank 1 en ondergaat het een isotherme expansie. Daarom neemt het volume van het gas toe en neemt de druk af. De temperatuur blijft echter stabiel, aangezien het afkoelt wanneer het gas uitzet. Daarom weten we dat de interne energie in de loop van de tijd constant blijft.
In de tweede fase hebben we een adiabatische expansie. Adiabatisch betekent dat het systeem geen warmte wint of verliest. Dit wordt bereikt door het gas in warmte-isolatie te plaatsen zoals hierboven aangegeven. Daarom neemt bij een adiabatische expansie het volume toe en neemt de druk af totdat deze de laagste waarde bereikt.
In de derde trap hebben we een isotherme compressie. Hier verwijderen we de isolatie en komt het systeem in contact met thermische tank nummer 2, die op een lagere temperatuur zal zijn. Daarom is het systeem verantwoordelijk voor het overbrengen van de afvalwarmte die niet is gebruikt naar deze thermische tank. Terwijl de warmte vrijkomt, begint de druk toe te nemen en het volume af te nemen.
Ten slotte hebben we in de laatste fase van de Carnot-cyclus eenadiabatische compressie. Hier gaan we terug naar een fase van thermische isolatie door het systeem. De druk neemt toe, het volume neemt af totdat de oorspronkelijke omstandigheden weer worden bereikt. Daarom is de cyclus klaar om opnieuw te beginnen.
beperkingen
Zoals eerder vermeld, is de motor van de Carnot geïdealiseerd. Dit betekent dat het sindsdien zijn beperkingen heeft echte motoren hebben die 100% efficiëntie niet. We weten dat twee Carnot-machines dezelfde efficiëntie hebben als ze allebei met dezelfde thermische reservoirs werken. Deze verklaring betekent dat het mij kan schelen welke stof we gebruiken, aangezien de prestatie volledig onafhankelijk zal zijn en niet kan worden verhoogd.
De conclusie die we trekken uit de vorige analyse is dat de Carnot-cyclus de top is van het thermodynamische proces dat idealiter kan worden bereikt. Met andere woorden, verder zal er geen motor zijn met meer efficiëntie. We weten dat thermische isolatie nooit perfect is en dat adiabatische fasen niet bestaan, omdat er een warmte-uitwisseling is met de buitenkant.
In het geval van een auto warmt het motorblok op en aan de andere kant gedraagt het mengsel van benzine en lucht zich niet precies, je communiceert idealiter. Om nog maar te zwijgen van enkele factoren die leiden tot een drastische vermindering van de prestaties.
Ik hoop dat je met deze informatie meer te weten kunt komen over de Carnot-cyclus en zijn kenmerken.