เมื่อเราพูดในฟิสิกส์และอุณหพลศาสตร์ของ วงจร Carnot เรากำลังอ้างถึงลำดับของกระบวนการที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์ Carnot เป็นอุปกรณ์ในอุดมคติที่ประกอบด้วยกระบวนการประเภทย้อนกลับเพียงไม่กี่ขั้นตอน ซึ่งหมายความว่าเมื่อกระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นแล้วสถานะเริ่มต้นสามารถกลับมาทำงานต่อได้ มอเตอร์ประเภทนี้ได้รับการพิจารณาในทางฟิสิกส์ว่าเป็นมอเตอร์ในอุดมคติและใช้เพื่อให้สามารถวางแผนส่วนที่เหลือของมอเตอร์ได้
ในบทความนี้เราจะบอกคุณทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับวัฏจักร Carnot และลักษณะสำคัญของมัน
คุณสมบัติหลัก
เรากำลังพูดถึงว่าเครื่องยนต์ประเภทนี้ถือเป็นเครื่องยนต์ในอุดมคติ เนื่องจากไม่มีการกระจายพลังงานเนื่องจากแรงเสียดทานกับพื้นดินหรืออากาศและความหนืดทุกประเภท ลักษณะหรือข้อเสียเหล่านี้เกิดขึ้นในเครื่องยนต์จริงตั้งแต่ เป็นไปไม่ได้ที่จะเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นงานที่ใช้งานได้ 100% อย่างไรก็ตามฮีป Carnot สามารถจำลองเงื่อนไขเหล่านี้ทั้งหมดเพื่อให้สามารถทำงานได้ดีขึ้นและทำการคำนวณได้ง่ายขึ้น
เมื่อเราซื้อเครื่องยนต์เราจะเริ่มจากสารที่สามารถทำงานได้ ตัวอย่างเช่นสารหลักที่ใช้ ได้แก่ ก๊าซน้ำมันเบนซินหรือไอน้ำ เมื่อสารเหล่านี้มีความสามารถในการทำงานอยู่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงต่างๆทั้งอุณหภูมิและความดัน สร้างรูปแบบต่างๆในระดับเสียง ด้วยวิธีนี้ลูกสูบสามารถเคลื่อนที่ได้ภายในกระบอกสูบเพื่อให้มอเตอร์
Carnot Cycle คืออะไร?
วงจรนี้เกิดขึ้นภายในระบบที่เรียกว่าเครื่องยนต์คาร์โนต์ ในเครื่องยนต์นี้มีก๊าซในอุดมคติซึ่งอยู่ในกระบอกสูบและมีลูกสูบ ลูกสูบสัมผัสกับแหล่งต่างๆที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน ในระบบนี้มีกระบวนการบางอย่างที่เราสามารถเห็นได้ในขั้นตอนต่อไปนี้:
- ความร้อนจำนวนหนึ่งจ่ายให้กับอุปกรณ์ ความร้อนจำนวนนี้มาจากอ่างเก็บน้ำความร้อนที่มีอุณหภูมิสูง
- มอเตอร์ทำงานได้ดีด้วยความร้อนนี้ที่จะได้รับ
- ความร้อนบางส่วนถูกใช้ไปและบางส่วนก็สูญเปล่า ของเสียจะถูกถ่ายเทไปยังถังเก็บความร้อนที่อุณหภูมิต่ำกว่า
เมื่อเราได้เห็นกระบวนการทั้งหมดแล้วเราจะมาดูว่าขั้นตอนของวัฏจักรคาร์โนต์คืออะไร การวิเคราะห์กระบวนการเหล่านี้ดำเนินการโดยใช้แผนภาพที่วัดความดันและปริมาตร จุดประสงค์ของเครื่องยนต์สามารถทำให้รถถังหมายเลขสองเย็นลงได้โดยการดึงความร้อนออกมา ในกรณีนี้เราจะพูดถึงเครื่องทำความเย็น หากในทางตรงกันข้ามวัตถุประสงค์คือการถ่ายเทความร้อนไปยังอ่างเก็บน้ำความร้อนเป็นอันดับหนึ่งเรากำลังพูดถึงปั๊มความร้อน
หากเราวิเคราะห์แผนภาพความดันและปริมาตรเราจะเห็นว่าการเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิของเครื่องยนต์จะแสดงภายใต้เงื่อนไขบางประการดังต่อไปนี้:
- ตราบใดที่อุณหภูมิยังคงที่ เรากำลังพูดถึงกระบวนการความร้อนใต้พิภพ
- ไม่มีการถ่ายเทความร้อน. นี่คือที่ที่เรามีฉนวนกันความร้อน
กระบวนการไอโซเทอร์มอลจำเป็นต้องเชื่อมต่อซึ่งกันและกันและสามารถทำได้ด้วยฉนวนกันความร้อน
ขั้นตอนของวัฏจักร Carnot
ที่จุดเริ่มต้นเราสามารถเริ่มต้นด้วยส่วนใดส่วนหนึ่งของวงจรที่ก๊าซมีเงื่อนไขความดันปริมาตรและอุณหภูมิบางอย่าง สิ่งนี้และก๊าซจะผ่านกระบวนการหลายขั้นตอนที่จะสามารถนำมันกลับสู่สภาวะเริ่มต้นได้ เมื่อก๊าซกลับสู่สภาวะเริ่มต้นแล้วก็อยู่ในสภาพสมบูรณ์ที่จะเริ่มรอบใหม่ เงื่อนไขเหล่านี้จะได้รับตราบเท่าที่พลังงานภายในที่สิ้นสุดจะเหมือนกับพลังงานภายในที่จุดเริ่มต้น นั่นหมายความว่าพลังงานได้รับการอนุรักษ์ เรารู้แล้วว่าพลังงานไม่ได้ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลาย แต่จะถูกเปลี่ยนรูปเท่านั้น
ขั้นตอนแรกของวัฏจักรคาร์โนต์ขึ้นอยู่กับการขยายตัวของความร้อนใต้พิภพ ในขั้นตอนนี้ระบบจะดูดซับความร้อนจากบ่อเก็บความร้อน 1 และผ่านการขยายตัวของอุณหภูมิความร้อน ดังนั้นปริมาตรของก๊าซจึงเพิ่มขึ้นและความดันลดลง อย่างไรก็ตามอุณหภูมิยังคงคงที่เนื่องจากเมื่อก๊าซขยายตัวทำให้เย็นลง ดังนั้นเราจึงรู้ว่าพลังงานภายในของมันคงที่ตลอดเวลา
ในขั้นตอนที่สองเรามีไฟล์ การขยายตัวของอะเดียแบติก อะเดียแบติกหมายความว่าระบบไม่ได้รับหรือสูญเสียความร้อน สามารถทำได้โดยการวางก๊าซในฉนวนกันความร้อนตามที่ระบุไว้ข้างต้น ดังนั้นในการขยายตัวแบบอะเดียแบติกปริมาตรจะเพิ่มขึ้นและความดันจะลดลงจนกว่าจะถึงค่าต่ำสุด
ใน ขั้นตอนที่สามเรามีการบีบอัดความร้อนใต้พิภพ ที่นี่เราถอดฉนวนออกและระบบสัมผัสกับถังความร้อนหมายเลข 2 ซึ่งจะมีอุณหภูมิต่ำกว่า ด้วยเหตุนี้ระบบจึงมีหน้าที่ในการถ่ายเทความร้อนทิ้งที่ไม่ได้ใช้ไปยังถังความร้อนนี้ เมื่อความร้อนคลายตัวความดันจะเริ่มเพิ่มขึ้นและระดับเสียงจะลดลง
สุดท้ายในขั้นตอนสุดท้ายของวัฏจักร Carnot เรามีการบีบอัดอะเดียแบติก ที่นี่เรากลับไปที่ขั้นตอนของฉนวนกันความร้อนโดยระบบ ความดันเพิ่มปริมาตรลดลงจนกว่าจะถึงเงื่อนไขเริ่มต้นอีกครั้ง ดังนั้นวงจรจึงพร้อมที่จะเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง
ข้อ จำกัด
ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้เครื่องยนต์ของ Carnot เหมาะอย่างยิ่ง ซึ่งหมายความว่ามันมีข้อ จำกัด ตั้งแต่ มอเตอร์จริงไม่มีประสิทธิภาพ 100% เราทราบดีว่าเครื่อง Carnot สองเครื่องมีประสิทธิภาพเท่ากันหากทั้งสองเครื่องทำงานด้วยแหล่งกักเก็บความร้อนเดียวกัน ข้อความนี้หมายความว่าฉันสนใจเกี่ยวกับสารที่เราใช้เนื่องจากประสิทธิภาพจะเป็นอิสระโดยสิ้นเชิงและไม่สามารถยกระดับได้
ข้อสรุปที่เราได้จากการวิเคราะห์ก่อนหน้านี้ก็คือวัฏจักรคาร์โนต์เป็นส่วนบนสุดของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่สามารถเข้าถึงได้ในอุดมคติ นั่นคือนอกเหนือจากนั้นจะไม่มีเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น เราทราบดีว่าความจริงของฉนวนกันความร้อนไม่เคยสมบูรณ์แบบและไม่มีระยะอะเดียแบติกเนื่องจากมีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับภายนอก
ในกรณีของรถยนต์บล็อกเครื่องยนต์ร้อนขึ้นและในทางกลับกันส่วนผสมของน้ำมันเบนซินและอากาศไม่ทำงานอย่างแน่นอนคุณสื่อสารได้อย่างดีเยี่ยม ไม่ต้องพูดถึงปัจจัยบางอย่างที่ ทำให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างมาก
ฉันหวังว่าด้วยข้อมูลนี้คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวัฏจักร Carnot และลักษณะของมัน