Κινητήρας Carnot

Όλες οι τυπικές μηχανές θερμότητας (ατμός, βενζίνη, ντίζελ) λειτουργούν με την εφαρμογή θερμότητας σε ένα αέριο, το οποίο διαστέλλεται σε έναν κύλινδρο και ωθεί ένα έμβολο για να εκτελέσει τη λειτουργία του. Επομένως, είναι εύκολο να δούμε πώς να μετατρέψετε τη θερμότητα σε εργασία, αλλά αυτό είναι μια συμφωνία που θα σας εξυπηρετήσει μία φορά. Για να έχουμε έναν χρήσιμο κινητήρα, χρειαζόμαστε να επαναλαμβάνεται συνέχεια. Η απλούστερη θερμική μηχανή είναι γνωστή ως η μηχανή Carnot και ένας κύκλος Carnot είναι ένας πλήρης κύκλος θέρμανσης/ψύξης, διαστολής/σύσπασης πίσω στον αρχικό όγκο και θερμοκρασία αερίου.

Τι είναι η μηχανή Carnot;

Ο κινητήρας Carnot είναι ένας θερμικός κινητήρας που λειτουργεί σύμφωνα με τον κύκλο Carnot. Ο κύκλος Carnot υπολογίζει τη μέγιστη απόδοση με την οποία ένας θερμικός κινητήρας μπορεί να μετατρέψει τη θερμότητα σε έργο εξόδου όταν λειτουργεί μεταξύ δύο δεξαμενών (ζεστό και κρύο). Ο Nicolas Leonard Sadi Carnot δημιούργησε τον κινητήρα Carnot το 1824. Λόγω του ονόματος του δημιουργού του, αυτός ο κινητήρας αναγνωρίζεται ως κινητήρας Carnot (Sadi Carnot).

Ο κινητήρας Carnot είναι ένα μοντέλο κινητήρα που χρησιμοποιεί αναστρέψιμες μηχανικές και θερμικές αλληλεπιδράσεις. Αυτή η δήλωση αντανακλά την ικανότητα του κινητήρα να ολοκληρώσει την κίνησή του και να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση χωρίς αυξανόμενη εντροπία (χωρίς απώλεια ενέργειας). Ο κινητήρας πρέπει να βρίσκεται σε θερμική ισορροπία καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου για να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση χωρίς απώλεια ενέργειας.

Για να κατανοήσουμε καλύτερα την έννοια του κινητήρα Carnot, θα εξηγήσουμε μερικούς όρους: 

• Μηχανικές αλληλεπιδράσεις:Δεν υπάρχει μεταφορά θερμότητας κατά τη διαδικασία μηχανικής αλληλεπίδρασης (Q =0) επειδή η ενέργεια δεν πέφτει λόγω τριβής. Αυτό είναι γνωστό ως αδιαβατική διαδικασία.

• Θερμική αλληλεπίδραση:Η μεταφορά θερμότητας είναι εξαιρετικά αργή κατά τη διάρκεια της διαδικασίας θερμικής αλληλεπίδρασης (οιονεί στατική). Σημαίνει ότι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εισόδου/εξόδου και θερμότητας συστήματος είναι περίπου η ίδια, υπονοώντας ότι η μεταφορά θερμότητας λαμβάνει χώρα για απείρως μεγάλο χρονικό διάστημα. Η εγγενής θερμοκρασία του συστήματος πρέπει να παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια της θερμικής αλληλεπίδρασης. Ως αποτέλεσμα, αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως ισοθερμική διαδικασία.

Αρχή κινητήρα Carnot

Ο Nicolas Leonard Sadi Carnot σχεδίασε τον πρώτο κινητήρα Carnot το 1824. Ο Benoît Paul Émile Clapeyron τροποποίησε και επέκτεινε το υπάρχον μοντέλο το 1834. Και το 1857, ο Rudolf Clausius εξέτασε τον κινητήρα για απόδοση. Αυτός ο κινητήρας λέγεται ότι λειτουργεί με μερικές αρχές, αυτές οι αρχές είναι:

• Η απόδοση μιας μη αναστρέψιμης θερμικής μηχανής είναι πάντα μικρότερη από αυτή μιας αναστρέψιμης μηχανής που λειτουργεί μεταξύ των ίδιων δύο δεξαμενών.

• Όλες οι αναστρέψιμες μηχανές θερμότητας που λειτουργούν μεταξύ των ίδιων δύο δεξαμενών έχουν την ίδια απόδοση.

Είναι κρίσιμο να αυξηθεί η θερμοκρασία του χώρου καύσης για να βελτιωθεί η θερμική απόδοση ενός αεριοστροβίλου ισχύος. Για παράδειγμα, τα πτερύγια του στροβίλου δεν μπορούν να αντέξουν το αέριο υψηλής θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα την πρόωρη κόπωση.

Κύκλος Carnot

Για να γνωρίζουμε τη σημασία του κινητήρα Carnot, πρέπει να γνωρίζουμε πώς λειτουργεί ο κινητήρας Carnot. Ο κινητήρας Carnot λειτουργεί με βάση την αρχή του κύκλου Carnot.

Ο κύκλος Carnot μπορεί να χωριστεί σε τέσσερα στάδια:

1. Ισοθερμική επέκταση:  (Α έως Β)

Η γραμμή Α έως Β στο παραπάνω διάγραμμα συμβολίζει τη διαδικασία ισοθερμικής διαστολής. Ο όρος ισοθερμική προέρχεται από τις λέξεις "iso" και "θερμικό".

Όπου το "Iso" σημαίνει "πανομοιότυπο", η "θερμοκρασία" υποδηλώνει "θερμότητα" και το "ισόθερμο" σημαίνει "καμία αλλαγή στη θερμοκρασία".

 Το αέριο διαστέλλεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας ισοθερμικής διαστολής και αυτή η διαστολή λειτουργεί στο εξωτερικό περιβάλλον μετακινώντας το έμβολο προς τα πάνω. Η πίεση του αερίου μειώνεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας (όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα). Ωστόσο, η θερμοκρασία του αερίου δεν αλλάζει κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, επομένως αναφέρεται ως ισοθερμική διαστολή (διαστολή σταθερής θερμοκρασίας).

Κατά τη διάρκεια αυτής της ισοθερμικής διαστολής, το αέριο απορροφά θερμική ενέργεια QH από τη δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας, αυξάνοντας την εντροπία του αερίου (ενέργεια).

2. Αδιαβατική επέκταση:(B έως C)

Το αέριο διαστέλλεται επ' αόριστον κατά τη διαδικασία αδιαβατικής διαστολής. Η πίεσή του μειώνεται, Περαιτέρω, ο όγκος αυξάνεται και η θερμοκρασία μειώνεται καθώς χάνεται μέρος της εσωτερικής ενέργειας ανάλογα με την εργασία που γίνεται.

Αυτή η διαδικασία διαστολής αερίου αναγκάζει το έμβολο προς τα πάνω και λειτουργεί στο εξωτερικό περιβάλλον. Η διαστολή αερίου ψύχει το αέριο και μετατρέπει τη θερμοκρασία του σε "ψυχρή" θερμοκρασία χωρίς την προσθήκη θερμότητας (Tc).

3. Ισοθερμική συμπίεση (C έως D)

Το περιβάλλον περιβάλλον λειτουργεί στο αέριο κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, προκαλώντας τη μεταφορά θερμότητας από το σύστημα στην ψυχρή δεξαμενή. Η θερμοκρασία του αερίου παραμένει σταθερή κατά τη διαδικασία ισοθερμικής συμπίεσης. Ωστόσο, η πίεση αυξάνεται και ο όγκος του αερίου μειώνεται. Η θερμική ενέργεια αναγκάζεται να μετακινηθεί από το σύστημα στην ψυχρή δεξαμενή λόγω αυτής της διαδικασίας και η εντροπία του συστήματος μειώνεται.

4. Αδιαβατική συμπίεση (D έως A)

Η γραμμή D έως A στο παραπάνω γράφημα υποδεικνύει τη διαδικασία αναστρέψιμης αδιαβατικής συμπίεσης. Το έμβολο και ο κύλινδρος θεωρείται ότι απομονώνονται ξανά κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας και η θερμή δεξαμενή υποτίθεται ότι πρέπει να αφαιρεθεί. Το περιβάλλον λειτουργεί συνεχώς στο αέριο σε αυτό το στάδιο μετακινώντας το έμβολο προς τα κάτω.

Καθώς το έμβολο κατεβαίνει περαιτέρω, συμπιέζει συνεχώς το αέριο και αυξάνει τη θερμοκρασία και την πίεσή του από το P3 στο P1 (όπως φαίνεται παραπάνω). Αυτή η διαδικασία αυξάνει την εσωτερική ενέργεια του αερίου, το συμπιέζει και ανεβάζει τη θερμοκρασία του από Tc σε Th. Η εντροπία παραμένει σταθερή στην αδιαβατική διαδικασία. Στη συνέχεια, ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Τι είναι το θεώρημα Carnot;

Αν ακολουθήσουμε το Θεώρημα Carnot, τότε ακολουθεί:

• Η παραγωγικότητα όλων των αναστρέψιμων θερμικών μηχανών που λειτουργούν μεταξύ δύο παρόμοιων δεξαμενών είναι η ίδια.

• Η παραγωγικότητα της αναστρέψιμης θερμικής μηχανής Carnot που λειτουργεί μεταξύ των δύο δεξαμενών είναι υψηλότερη από εκείνη των μη αναστρέψιμων μηχανών θερμότητας που λειτουργούν στις ίδιες δεξαμενές.

• Η μέγιστη απόδοση ενός κινητήρα Carnot δίνεται παρακάτω:

Συμπέρασμα

Ο κινητήρας Carnot είναι ένας κινητήρας που λειτουργεί με βάση την αρχή του κινητήρα Carnot. Σε αυτό το άρθρο, έχουμε επισημάνει τη σημασία της σημασίας του κινητήρα Carnot και του κινητήρα Carnot. Ο κύκλος Carnot είναι μια πολύπλοκη διαδικασία που χωρίζεται σε τέσσερα μέρη.