Ciklus Carnot. Carnotov plin
Najučinkovitiji ciklus toplinskog motora je Carnotov ciklus topline. Sastoji se od dva izotermna i dva adijabatska procesa. Drugi zakon termodinamike utvrđuje da se ne može sva toplina isporučena toplinskom stroju koristiti za obavljanje posla. Učinkovitost takvog motora, koji implementira Carnotov ciklus, daje graničnu vrijednost tog dijela koji se može koristiti u te svrhe.
Nekoliko riječi o reverzibilnosti fizičkih procesa
Fizički (iu užem smislu, termodinamički) proces u određenom sustavu tijela (uključujući krute tvari, tekućine, plinove) je reverzibilan, ako je nakon njegove provedbe moguće vratiti stanje u kojem je sustav bio prije nego je počeo. Ako se na kraju procesa ne može vratiti u prvobitno stanje, tada je nepovratno.
Reverzibilni procesi se ne događaju u prirodi. To je idealizirani model stvarnosti, svojevrstan alat za njegovo istraživanje u fizici. Primjer takvog procesa je Carnotov ciklus. Idealan toplinski motor je model pravog sustava koji provodi proces, nazvan po francuskom fizičaru Sadiju Carnotu, koji ga je prvi opisao.
Što uzrokuje nepovratnost procesa?
Čimbenici koji dovode do toga uključuju:
- toplinski protok od izvora topline do potrošača pri konačnoj temperaturnoj razlici između njih;
- neograničeno širenje plina;
- miješanje dvaju plinova;
- trenja;
- prolaz električna struja kroz otpornost;
- neelastična deformacija;
- kemijske reakcije.
Proces je nepovratan ako je prisutan bilo koji od ovih čimbenika. Carnotov idealan ciklus je reverzibilni proces.
Interno i eksterno reverzibilni procesi
Kada se proces provodi, njegovi faktori ireverzibilnosti mogu se nalaziti u okviru sustava samih tijela, kao iu njegovoj blizini. Naziva se interno reverzibilnom ako se sustav može vratiti u isto stanje ravnoteže u kojem je bilo u početku. U isto vrijeme unutar nje ne mogu biti faktora nepovratnosti sve dok proces koji se razmatra traje.
Ako su u procesu odsutni faktori ireverzibilnosti izvan granica sustava, onda se to naziva vanjski reverzibilno.
Proces se naziva potpuno reverzibilnim ako je i interno i eksterno reverzibilan.
Što je ciklus Carnot?
U tom procesu, koji provodi idealan toplinski motor, radni fluid - zagrijan plin - obavlja mehanički rad zbog topline dobivene iz visokotemperaturnog spremnika topline (grijača), te također odašilje toplinu spremniku topline niskih temperatura (hladnjak).
Carnotov ciklus je jedan od najpoznatijih reverzibilnih ciklusa. Sastoji se od četiri reverzibilna procesa. I premda su takvi ciklusi nedostižni u praksi, oni postavljaju gornje granice izvedbe stvarnih ciklusa. U teoriji se pokazuje da ovaj izravni ciklus s najvećom mogućom učinkovitošću obavlja pretvorbu toplinske energije (topline) u mehanički rad.
kako savršen plin radi Carnotov ciklus?
Razmotrimo idealan toplinski motor koji sadrži cilindar s plinom i klipom. Četiri reverzibilna procesa u radnom ciklusu takvog stroja su:
1. Reverzibilna izotermalna ekspanzija. Na početku procesa, plin u cilindru ima temperaturu T H. Kroz stijenke cilindra dolazi do kontakta s grijačem, koji ima infinitezimalnu temperaturnu razliku s plinom. Prema tome, ne postoji odgovarajući faktor ireverzibilnosti u obliku konačne temperaturne razlike, te postoji reverzibilni proces prijenosa topline iz grijača na radni fluid - plin. njegov unutarnja energija ona raste, polako se širi, dok radi pomicanje klipa i ostaje pri konstantnoj temperaturi T H. Ukupna količina topline koja se prenosi na plin od strane grijača tijekom ovog procesa je jednaka Q H, međutim, samo jedan dio se pretvara u rad.
2. Reverzibilna adijabatska ekspanzija. Grijač se uklanja, a plin koji provodi ciklus Carnot polako se širi dalje adiabatski (s konstantnom entropijom) bez izmjene topline kroz zidove cilindra ili klipa. Njegov rad na kretanju klipa dovodi do smanjenja unutarnje energije, što se odražava u smanjenju temperature od T H do T L. Ako pretpostavimo da se klip kreće bez trenja, tada je proces reverzibilan.
3. Reverzibilna izotermalna kompresija. Boca se dovodi u kontakt s hladnjakom koji ima temperaturu T L. Klip počinje gurati vanjsku silu koja obavlja radove kompresije plina. Istovremeno, njegova temperatura ostaje jednaka T L, a proces koji uključuje prijenos topline iz plina u hladnjak i kompresiju ostaje reverzibilan. Ukupna količina topline uklonjena iz plina u hladnjaku je Q L.
4. Reverzibilna adijabatska kompresija. Hladnjak se uklanja i plin se polagano komprimira adiabatski (s konstantnom entropijom). Njegova temperatura raste od T L do T N. Plin se vraća u prvobitno stanje, što dovršava ciklus.
Carnotova načela
Ako su procesi koji čine Carnotov ciklus toplinskog motora reverzibilni, tada se naziva reverzibilni toplinski motor. Inače imamo njegovu nepovratnu opciju. U praksi, svi toplinski motori su takvi, od obrnutih procesa ne postoji u prirodi.
Carnot je formulirao načela koja su posljedica drugog zakona termodinamike. Izražene su kako slijedi:
1. Učinkovitost ireverzibilnog toplinskog motora uvijek je manja od djelotvornosti reverzibilnog motora koji radi iz istih dvaju spremnika topline.
2. Učinkovitost svih reverzibilnih toplinskih motora koji rade iz istih dvaju spremnika topline su isti.
To jest, učinkovitost reverzibilnog toplinskog motora ne ovisi o korištenom radnom fluidu, njegovim svojstvima, trajanju radnog ciklusa i tipu toplinskog motora. To je samo funkcija temperature spremnika:
η = 1 - Q L / Q N = g (T N , T L )
ili
Q H / Q L = f (TH, T L ),
gdje je Q L toplina koja se prenosi u niskotemperaturni spremnik, koji ima temperaturu T L; Q H - toplina prenesena iz visokotemperaturnog spremnika, koji ima temperaturu T H; g, F - sve funkcije.
Carnot Heat Engine
Oni nazivaju takav toplinski motor koji radi na reverzibilnom Carnotovom ciklusu. Termička učinkovitost bilo kojeg toplinskog motora, reverzibilna ili ne, definirana je kao
η th = 1 - Q L / Q H,
gdje su Q L i Q H količine topline prenesene u ciklusu u niskotemperaturni spremnik na temperaturi TL i iz visokotemperaturnog spremnika na temperaturi TH , respektivno. Kod reverzibilnih toplinskih motora toplinska učinkovitost može se izraziti apsolutnim temperaturama tih dvaju spremnika:
η th = 1 - T L / T H.
Učinkovitost Carnotovog toplinskog motora je najviša učinkovitost koju toplinski motor može doseći radeći između visokotemperaturnog spremnika na temperaturi T H i niskotemperaturnog spremnika na temperaturi T L. Svi nepovratni toplinski motori koji rade između dva spremnika imaju manju učinkovitost.
Obrnuti proces
Dotični ciklus je potpuno reverzibilan. Njegova opcija hlađenja može se postići preokretanjem svih procesa koji su uključeni u njega. U ovom slučaju, Carnotov ciklus se koristi za stvaranje temperaturne razlike, tj. toplinska energija. Tijekom obrnutog ciklusa, količina topline Q L plina dobiva se iz niskotemperaturnog spremnika, a količina topline Q H se daje u visokotemperaturnom spremniku topline. Energija W neto, potrebna je za izvođenje ciklusa. Ona je jednaka površini figure koja je ograničena s dvije izoterme i dva adiabata. PV dijagrami naprijed i natrag Carnot ciklusa prikazani su na slici ispod.
Hladnjak i toplinska crpka
Hladnjak ili toplinska crpka koja primjenjuje Carnotov povratni ciklus naziva se Carnot hladnjak ili Carnot toplinska pumpa.
Učinkovitost reverzibilnog ili nepovratnog hladnjaka (η R ) ili toplinska pumpa (η HP) definirana je kao:
η R = 1 / ((QH / Q L ) - 1),
η HP = 1 / (1- (Q L / Q H )),
gdje je Q N količina topline koja se ispušta u visokotemperaturni spremnik;
Q L - količina topline dobivene iz niskotemperaturnog spremnika.
Za reverzibilne hladnjake ili dizalice topline, kao što su Carnotovi hladnjaci ili Carnotove toplinske pumpe, učinkovitost se može izraziti u apsolutnim temperaturama:
η R = 1 / ((TH / T L ) - 1),
η HP = 1 / (1 - (T L / T H )),
gdje T N = apsolutna temperatura u visokotemperaturnom spremniku;
T L = apsolutna temperatura u spremniku niske temperature.
η R (ili η HP ) su najveća učinkovitost hladnjaka (ili toplinske pumpe) koje mogu postići djelovanjem između visokotemperaturnog spremnika na temperaturi T H i niskotemperaturnog spremnika na temperaturi T L. Svi nepovratni hladnjaci ili toplinske crpke koje rade između dva spremnika imaju manju učinkovitost.
Kućanski hladnjak
Osnovna ideja kućnog hladnjaka je jednostavna: koristi isparavanje rashladnog sredstva kako bi apsorbirala toplinu iz hladnjaka u hladnjaku. U svakom hladnjaku postoje četiri glavna dijela:
- Kompresor.
- Cjevasti radijator izvan hladnjaka.
- Ekspanzijski ventil.
- Cijevi za prijenos topline unutar hladnjaka.
Obrnuti ciklus Carnot kada hladnjak radi u sljedećem redoslijedu:
- Adijabatska kompresija. Kompresor komprimira para rashladnog sredstva, povećavajući njihovu temperaturu i tlak.
- Izotermalna kompresija. Visokotemperaturna i kompresorska para rashladnog fluida raspršuje toplinu u okolinu (visokotemperaturni spremnik) dok teče kroz hladnjak izvan hladnjaka. Para rashladnog sredstva se kondenzira (komprimira) u tekuću fazu.
- Adijabatska ekspanzija. Tekuće rashladno sredstvo teče kroz ekspanzijski ventil kako bi smanjilo njegov tlak.
- Izotermalno širenje. Hladna tekuća rashladna tekućina isparava dok prolazi kroz cijevi za izmjenu topline unutar hladnjaka. U procesu isparavanja njegova unutarnja energija raste, a taj rast osiguran je uklanjanjem topline iz unutarnjeg prostora hladnjaka (niskotemperaturni spremnik), zbog čega se hladi. Zatim plin ulazi u kompresor da bi ponovno stisnuo. Ponavlja se ciklus obrnutog Carnota.