În termodinamică, ciclul Carnot sau procesul Carnot este un proces circular reversibil constând în două procese adiabatice și două izoterme. În procesul Carnot, sistemul termodinamic efectuează lucrări mecanice și schimbă căldura cu două rezervoare de căldură care au temperaturi constante dar diferite. Un rezervor cu o temperatură mai mare se numește încălzitor, iar cu o temperatură mai mică un frigider.
Ciclul Carnot este numit după omul de știință francez și inginer Sadi Carnot, primul care a descris în eseul său „Despre puterea motrice a focului și pe mașinile care se pot dezvolta această forță“ în 1824.
Deoarece procesele reversibile pot fi puse în aplicare doar cu o rată infinit lentă a mașinii de energie termică în ciclul Carnot este zero. Putere motoare termice reale nu poate fi zero, astfel încât procesele reale pot abordare a procesului de Carnot reversibil ideală doar cu un grad mai mare sau mai mică de precizie. În motorul ciclu de căldură Carnot transformă căldura în lucru cu cea mai mare eficiență posibilă a tuturor motoarelor termice, în care temperaturile maxime și minime în ciclul de operare coincid cu sistemul de încălzire și temperaturile mai reci din ciclul Carnot.
Carnot ciclu în coordonate T-s
Una dintre coordonatele din acest grafic este ENTROPY - s.
Entropia este exprimată printr-o funcție:
unde q este căldura furnizată fluidului de lucru și T este temperatura sa în procesul izotermic.
Pentru ciclul Carnot T, s - diagrama Rezumând și q2 căldură q1 rezervată fluidului de lucru reprezintă aria de sub izoterme care corespund dreptunghiuri cu laturi: pentru q1 - T1 și # 916; s, pentru q2 - cu T2 și # 916; s. Cantitățile q1 și q2 sunt determinate de formulele procesului izotermic:
Lucrarea ciclului Carnot este egală cu diferența dintre căldura furnizată și căldura abstractizată
În conformitate cu ultima expresie primi operație este posibilă numai dacă diferența de temperatură la sursele de căldură calde și reci. Ciclul maxim teoretic Carnot de operare va fi cu T2 = 0, ci ca o sursă rece în motoare termice, utilizate în mod obișnuit mediu (apă, aer) la o temperatură de aproximativ 300 K. În plus, realizarea de zero absolut în natură imposibilă (acest fapt se referă la a treia lege a termodinamicii). Prin urmare, ciclul Carnot nu este întreg q1 căldură este transformată în lucru, ci doar o parte a acestuia, rămase după q2 căldură angajare, dată fiind sursa rece, iar la T1 predeterminată și T2, nu poate fi folosit pentru muncă, q2 cantitate este pierderea de căldură (respingerea căldurii).
Lăsați motorul termic să fie compus din: 1) un încălzitor cu o temperatură. 2) un frigider cu o temperatură și 3) un fluid de lucru.
Ciclul Carnot constă din patru etape reversibile, două dintre ele fiind efectuate la o temperatură constantă (izotermică) și două - la o entropie constantă (adiabatică). Prin urmare, este convenabil să reprezentăm ciclul Carnot în coordonatele T (temperature) și S (entropia).
1. Expansiunea izotermică (în figura 1 - procesul A → B). La începutul procesului, mediul de lucru are o temperatură. adică, temperatura încălzitorului. Apoi, corpul este adus în contact cu încălzitorul, care izoterm (la o temperatură constantă) îi transmite cantitatea de căldură. În același timp, volumul fluidului de lucru crește, efectuează lucrări mecanice, iar entropia crește.
2. Expansiunea adiabatică (în figura 1 - procesul B → B). Corpul de lucru este deconectat de la încălzitor și continuă să se extindă fără schimbul de căldură cu mediul. Temperatura corpului scade la temperatura frigiderului. corpul efectuează munca mecanică, iar entropia rămâne constantă.
3. Compresie izotermică (în figura 1 - procesul B → D). Un corp de lucru cu o temperatură. este adus în contact cu frigiderul și începe să se comprime izotermic sub acțiunea unei forțe exterioare, dând frigiderului o cantitate de căldură. Munca se face pe corp, entropia lui scade.
4. Compresia adiabatică (în figura 1 - procesul Г → А). Corpul de lucru este detașat de frigider și este comprimat sub acțiunea unei forțe externe fără schimbarea căldurii cu mediul. În același timp, temperatura crește până la temperatura încălzitorului, lucrările sunt efectuate pe corp, entropia sa rămâne constantă.
Cantitatea de căldură primită de corpul de lucru din încălzitorul sub expansiune izotermică este egală cu
.
În mod similar, cu compresie izotermică, mediul de lucru dă frigiderului
.
Prin urmare, eficiența motorului termic Carnot este
.
Prin urmare, eficiența maximă a oricărui echipament termic nu poate depăși eficiența motorului termic Carnot care funcționează la aceleași temperaturi ale încălzitorului și frigiderului. Această afirmație se numește a doua teoremă a lui Carnot. Acesta oferă limita superioară a eficienței oricărei mașini termice și vă permite să estimați abaterea eficienței efective față de valoarea maximă, adică pierderea de energie datorată proceselor termice ideale.
Ciclul Carnot poate fi reprezentat atât în coordonatele P (presiunea fluidului de lucru) și V (volumul fluidului de lucru). Este clar că lichidul de lucru este abur într-o turbină sau gaz în cilindrul unui motor cu combustie internă.
Fig. 2. Ciclul Carnot în coordonatele P și V
Pentru ciclul a fost reversibil, de transfer de căldură trebuie excluse în cazul în care există o diferență de temperatură, în caz contrar condiției este violată procesul adiabatic. Prin urmare, transferul de căldură trebuie să fie efectuată fie în procesul izoterma (ca în ciclul Carnot), sau în procesul de echidistante (generalizate ciclu Carnot sau, de exemplu, un caz special Brayton ciclu). Pentru a schimba fluidul de lucru de la temperatura de încălzire la temperatura frigiderului și înapoi, este necesar să se utilizeze fie procese adiabatice (acestea sunt fără căldură, și, prin urmare, nu afectează entropia), sau bucle cu recuperare de căldură, la care nici o diferență de temperatură de transfer de căldură. Concluzionăm că orice ciclu reversibil poate fi redus la un ciclu Carnot.
Un exemplu de ciclu ciclu reversibil non Carnot, dar integral coincide cu ea, este un ciclu ideal de Stirling în regenerator motor Stirling adăugat, oferind aproximare completă a ciclului Carnot a ciclului pentru a atinge reversibilității și eficiența aceleași cantități.
Dacă în ciclu există un transfer de căldură în prezența unei diferențe de temperatură și toate acestea sunt implementări tehnice ale ciclurilor termodinamice, atunci ciclul pierde proprietatea reversibilității. Cu alte cuvinte, prin munca mecanică efectuată în ciclu, devine imposibilă obținerea căldurii inițiale. Eficiența unui astfel de ciclu va fi întotdeauna mai mică decât eficiența ciclului Carnot.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: