Când vorbim în fizică și termodinamică a Ciclul Carnot ne referim la o secvență de procese care au loc într-un motor Carnot. Este un dispozitiv ideal format doar din câteva procese de tip reversibil. Aceasta înseamnă că odată ce aceste procese au avut loc, starea inițială poate fi reluată. Acest tip de motor este considerat în fizică ca un motor ideal și este folosit pentru a putea planifica restul motoarelor.
În acest articol vă vom spune tot ce trebuie să știți despre ciclul Carnot și principalele sale caracteristici.
caracteristici cheie
Vorbim că acest tip de motor este considerat un motor ideal. Acest lucru se întâmplă întrucât îi lipsește disiparea energiei, din cauza fricțiunii cu solul sau aerului și a niciun tip de vâscozitate. Toate aceste caracteristici sau dezavantaje apar în orice motor real, deoarece este imposibil să transformi energia termică în muncă utilizabilă cu 100%. Cu toate acestea, grămada Carnot poate simula toate aceste condiții pentru a putea funcționa mai bine și a face calcule într-un mod mai simplu.
Când cumpărăm un motor, îl facem pornind de la o substanță care este capabilă să lucreze. De exemplu, principalele substanțe utilizate sunt gazul, benzina sau aburul. Când aceste substanțe care sunt capabile să lucreze sunt supuse diferitelor modificări atât de temperatură, cât și de presiune, generează unele variații ale volumului lor. În acest fel, un piston poate fi deplasat în interiorul unui cilindru pentru a avea motorul.
Ce este ciclul Carnot?
Acest ciclu are loc în cadrul unui sistem numit motor Carnot. În acest motor există un gaz ideal care este închis într-un cilindru și care este prevăzut cu un piston. Pistonul este în contact cu diverse surse care se află la temperaturi diferite. În acest sistem există unele procese pe care le putem vedea în următorii pași:
- O anumită cantitate de căldură este furnizată dispozitivului. Această cantitate de căldură provine din rezervorul termic la temperatură ridicată.
- Motorul efectuează lucrări datorită acestei călduri care ar fi furnizată
- O parte din căldură este utilizată, iar altele sunt irosite. Deșeurile sunt transferate în rezervorul termic care se află la o temperatură mai scăzută.
Odată ce am văzut toate procesele, vom vedea care sunt etapele ciclului Carnot. Analiza acestor procese se efectuează folosind o diagramă în care se măsoară presiunea și volumul. Scopul motorului poate fi fie menținerea rece a rezervorului numărul doi prin extragerea căldurii din acesta. În acest caz, vom vorbi despre o mașină de răcire. Dacă, dimpotrivă, obiectivul este de a transfera căldura în rezervorul termic numărul unu, atunci vom vorbi despre o pompă de căldură.
Dacă analizăm o diagramă de presiune și volum, vedem că modificările presiunii și temperaturii motorului sunt afișate în anumite condiții care sunt următoarele:
- Atâta timp cât temperatura este menținută constantă. Aici vorbim despre un proces izoterm.
- Fără transfer de căldură. Aici avem izolație termică.
Procesele izoterme trebuie conectate între ele și acest lucru se realizează datorită izolației termice.
Etapele ciclului Carnot
La punctul de plecare putem începe cu orice parte a ciclului în care gazul are anumite condiții de presiune, volum și temperatură. Acesta și gazul vor suferi o serie de procese care îl vor duce la revenirea la condițiile de pornire. Odată ce gazul a revenit la condițiile sale inițiale, acesta a fost în stare perfectă pentru a începe un alt ciclu. Aceste condiții sunt date atâta timp cât energia internă de la sfârșit este aceeași cu energia internă de la început. Aceasta înseamnă că energia este conservată. Știm deja că energia nu este nici creată, nici distrusă, ci doar transformată.
Prima etapă a ciclului Carnot se bazează pe o expansiune izotermă. În această etapă, sistemul absoarbe căldura din rezervorul termic 1 și suferă o expansiune izotermă. Prin urmare, volumul gazului crește și presiunea scade. Cu toate acestea, temperatura rămâne stabilă, deoarece când gazul se extinde, se răcește. Prin urmare, știm că energia sa internă rămâne constantă în timp.
În a doua etapă avem un expansiune adiabatică. Adiabatic înseamnă că sistemul nu câștigă sau pierde căldură. Acest lucru se realizează prin plasarea gazului în izolație termică așa cum este indicat mai sus. Prin urmare, într-o expansiune adiabatică volumul crește și presiunea scade până când atinge cea mai mică valoare.
În a treia etapă avem o compresie izotermă. Aici eliminăm izolația și sistemul intră în contact cu rezervorul termic numărul 2, care va fi la o temperatură mai scăzută. Prin urmare, sistemul este responsabil pentru transferul căldurii reziduale care nu a fost utilizată în acest rezervor termic. Pe măsură ce căldura se degajă, presiunea începe să crească și volumul să scadă.
În cele din urmă, în ultima etapă a ciclului Carnot avem uncompresie adiabatică. Aici ne întoarcem la o etapă de izolare termică de către sistem. Presiunea crește volumul scade până atinge din nou condițiile inițiale. Prin urmare, ciclul este gata să înceapă din nou.
limitări
După cum am menționat anterior, motorul Carnot este idealizat. Acest lucru înseamnă că are limitările sale de atunci motoarele reale nu au o eficiență de 100%. Știm că două mașini Carnot au aceeași eficiență dacă ambele funcționează cu aceleași rezervoare termice. Această afirmație înseamnă că îmi pasă ce substanță folosim, deoarece performanța va fi total independentă și nu poate fi ridicată.
Concluzia pe care o tragem din analiza anterioară este că ciclul Carnot este vârful procesului termodinamic la care se poate ajunge în mod ideal. Adică, dincolo de asta, nu va exista un motor cu o eficiență mai mare. Știm că izolația termică nu este niciodată perfectă și că etapele adiabatice nu există, deoarece există un schimb de căldură cu exteriorul.
În cazul unei mașini, blocul motorului se încălzește și, pe de altă parte, amestecul de benzină și aer nu se comportă exact, comunicați în mod ideal. Ca să nu mai vorbim de câțiva factori care determina o reducere drastica a performantei.
Sper că cu aceste informații puteți afla mai multe despre ciclul Carnot și caracteristicile sale.