Kiedy mówimy o fizyce i termodynamice Cykl Carnota odnosimy się do sekwencji procesów zachodzących w silniku Carnota. Jest to idealne urządzenie składające się tylko z kilku procesów odwracalnych. Oznacza to, że po zajściu tych procesów można wznowić stan początkowy. Ten typ silnika jest uważany w fizyce za idealny silnik i służy do planowania pozostałych silników.
W tym artykule powiemy Ci wszystko, co musisz wiedzieć o cyklu Carnota i jego głównych cechach.
Główne cechy
Mówimy, że ten typ silnika jest uważany za idealny silnik. Dzieje się tak, ponieważ brakuje mu rozpraszania energii z powodu tarcia z ziemią lub powietrzem i wszelkiego rodzaju lepkości. Wszystkie te cechy lub wady pojawiają się w każdym prawdziwym silniku, ponieważ niemożliwe jest przekształcenie energii cieplnej w pracę użytkową w 100%. Jednak sterta Carnota może symulować wszystkie te warunki, aby móc lepiej działać i wykonywać obliczenia w prostszy sposób.
Kupując silnik, robimy to zaczynając od substancji zdolnej do pracy. Na przykład głównymi używanymi substancjami są gaz, benzyna lub para. Gdy te substancje zdolne do pracy są poddawane różnym zmianom zarówno temperatury, jak i ciśnienia, generują pewne różnice w ich objętości. W ten sposób tłok może być przesuwany w cylindrze, aby mieć silnik.
Co to jest cykl Carnota?
Ten cykl zachodzi w systemie zwanym silnikiem Carnota. W tym silniku jest gaz doskonały zamknięty w cylindrze i zaopatrzony w tłok. Tłok styka się z różnymi źródłami o różnych temperaturach. W tym systemie istnieje kilka procesów, które możemy podsumować w następujących krokach:
- Do urządzenia dostarczana jest pewna ilość ciepła. Ta ilość ciepła pochodzi z wysokotemperaturowego zbiornika termicznego.
- Silnik pracuje dzięki temu ciepłu, które będzie dostarczane
- Część ciepła jest wykorzystywana, a część marnowana. Odpady przenoszone są do zbiornika termicznego o niższej temperaturze.
Kiedy już zobaczymy wszystkie procesy, zobaczymy, jakie są etapy cyklu Carnota. Analizę tych procesów przeprowadza się za pomocą wykresu, na którym mierzone jest ciśnienie i objętość. Zadaniem silnika może być utrzymywanie chłodu w zbiorniku numer dwa poprzez odbieranie z niego ciepła. W tym przypadku będziemy mówić o maszynie chłodzącej. Jeśli wręcz przeciwnie, celem jest przekazanie ciepła do zbiornika ciepła numer jeden, to mówimy o pompie ciepła.
Jeśli przeanalizujemy wykres ciśnienia i objętości, zobaczymy, że zmiany ciśnienia i temperatury silnika są pokazane w określonych warunkach, które są następujące:
- Dopóki temperatura jest utrzymywana na stałym poziomie. Tutaj mówimy o procesie izotermicznym.
- Brak wymiany ciepła. Tutaj mamy izolację termiczną.
Procesy izotermiczne muszą być ze sobą połączone, a osiąga się to dzięki izolacji termicznej.
Etapy cyklu Carnota
W punkcie wyjścia możemy rozpocząć od dowolnej części cyklu, w której gaz ma określone warunki ciśnienia, objętości i temperatury. Ten i gaz przejdą szereg procesów, które doprowadzą go do powrotu do warunków wyjściowych. Gdy gaz powrócił do swoich początkowych warunków, był w idealnym stanie, aby rozpocząć kolejny cykl. Warunki te są podane, o ile energia wewnętrzna na końcu jest taka sama jak energia wewnętrzna na początku. Oznacza to, że energia jest oszczędzana. Wiemy już, że energia nie jest tworzona ani niszczona, a jedynie przekształcana.
Pierwszy etap cyklu Carnota oparty jest na ekspansji izotermicznej. Na tym etapie układ pobiera ciepło ze zbiornika termicznego 1 i ulega izotermicznej ekspansji. W związku z tym objętość gazu wzrasta, a ciśnienie spada. Jednak temperatura pozostaje stabilna, ponieważ gaz rozprężający się ochładza się. Dlatego wiemy, że jego energia wewnętrzna pozostaje stała w czasie.
W drugim etapie mamy plik ekspansja adiabatyczna. Adiabatyczna oznacza, że system nie zyskuje ani nie traci ciepła. Osiąga się to poprzez umieszczenie gazu w izolacji cieplnej, jak wskazano powyżej. Dlatego w ekspansji adiabatycznej objętość wzrasta, a ciśnienie spada, aż osiągnie najniższą wartość.
W w trzecim etapie mamy kompresję izotermiczną. Tutaj usuwamy izolację i system wchodzi w kontakt ze zbiornikiem termicznym nr 2, który będzie miał niższą temperaturę. Dlatego system jest odpowiedzialny za przekazanie ciepła odpadowego, które nie zostało wykorzystane, do tego zbiornika termicznego. W miarę uwalniania się ciepła ciśnienie zaczyna rosnąć, a objętość maleć.
Wreszcie w ostatnim etapie cyklu Carnota mamy plikkompresja adiabatyczna. Tutaj wracamy do etapu izolacji termicznej przez system. Ciśnienie zwiększa objętość zmniejsza się aż do ponownego osiągnięcia warunków początkowych. Dlatego cykl jest gotowy do ponownego rozpoczęcia.
Ograniczenia
Jak wspomniano wcześniej, silnik Carnota jest wyidealizowany. Oznacza to, że od tego czasu ma swoje ograniczenia prawdziwe silniki nie mają takiej 100% sprawności. Wiemy, że dwie maszyny Carnota mają taką samą wydajność, jeśli działają z tymi samymi zbiornikami termicznymi. To stwierdzenie oznacza, że obchodzi mnie, jakiej substancji użyjemy, bo spektakl będzie całkowicie niezależny i nie da się go podnieść.
Wniosek, jaki wyciągamy z poprzedniej analizy, jest taki, że cykl Carnota jest szczytem procesu termodynamicznego, do którego można idealnie dotrzeć. Innymi słowy, poza tym nie będzie silnika o większej wydajności. Wiemy, że izolacja termiczna nigdy nie jest idealna, a stopnie adiabatyczne nie istnieją, ponieważ zachodzi wymiana ciepła z zewnętrzem.
W przypadku auta blok silnika się nagrzewa az drugiej strony mieszanka benzyny i powietrza nie zachowuje się dokładnie, komunikujesz się idealnie. Nie wspominając o niektórych czynnikach spowodować drastyczne obniżenie wydajności.
Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom dowiesz się więcej o cyklu Carnota i jego charakterystyce.