Във физиката и термодинамиката, когато говорим за цикъл на Карно, имаме предвид поредица от процеси, които протичат в двигател на Карно. Това е идеализирано устройство, състоящо се само от няколко обратими процеса. Това означава, че след като тези процеси са се случили, началното състояние може да бъде възстановено. Този тип двигател се счита за идеален двигател във физиката и се използва за проектиране на други двигатели, базирани на принципите на термодинамиката.
В тази статия ще ви разкажем всичко, което трябва да знаете за цикъла на Карно и основните му характеристики.
ключови характеристики
Говорим за това, че този тип двигател се счита за идеален. Това е така, защото при него липсва разсейване на енергия поради триене със земята или въздуха и няма вискозитет. Всички тези характеристики или недостатъци възникват във всеки реален двигател, тъй като е невъзможно да се преобразува 100% от топлинната енергия в използваема работа. Двигателят на Карно обаче ни позволява да симулираме всички тези условия, за да подобрим производителността и да опростим изчисленията.
Когато купуваме двигател, започваме с вещество, способно да извършва работа. Например, основните използвани вещества са газ, бензин или пара. Когато тези вещества, способни да извършват работа, са подложени на различни промени в температурата и налягането, те генерират вариации в обема си. По този начин буталото може да се движи вътре в цилиндъра, като по този начин задвижва двигателя. Принципите на термодинамиката играят решаваща роля в тези процеси.
Какво представлява цикълът на Карно?
Този цикъл се случва в система, наречена двигател на Карно. В този двигател има идеален газ, който е затворен в цилиндър и който е снабден с бутало. Буталото е в контакт с различни източници, които са с различни температури. В тази система се случват някои процеси, които можем да обобщим в следните стъпки:
- Към устройството се подава определено количество топлина. Това количество топлина идва от високотемпературния термичен резервоар.
- Двигателят изпълнява работа благодарение на тази топлина, която би била доставена
- Част от топлината се използва, а част се губи. Отпадъците се прехвърлят в терморезервоара, който е с по-ниска температура.
След като видим всички процеси, ще видим какви са етапите на цикъла на Карно. Анализът на тези процеси се извършва с помощта на диаграма, в която се измерват налягането и обемът. Целта на двигателя може да бъде или да поддържа охлаждане на резервоар номер две, като извлича топлина от него. В този случай ще говорим за охлаждаща машина. Ако, напротив, целта е да се прехвърли топлина към топлинния резервоар номер едно, тогава ще говорим за термопомпа.
Ако анализираме диаграма на налягането и обема, виждаме, че промените в налягането и температурата на двигателя се показват при определени условия, които са следните:
- Винаги, когато температурата остава постоянна. Тук говорим за изотермичен процес.
- Без пренос на топлина. Тук имаме топлоизолация.
Изотермичните процеси трябва да бъдат свързани помежду си и това се постига чрез топлоизолация, концепция, която е свързана с ентропията.
Етапи от цикъла на Карно
В началната точка можем да започнем с всяка част от цикъла, в която газът има определени условия на налягане, обем и температура. Този газ ще претърпи поредица от процеси, които ще го накарат да се върне към първоначалните си условия. След като газът се е върнал към първоначалните си условия, той е бил в перфектно състояние, за да започне нов цикъл. Тези условия са изпълнени, докато вътрешната енергия в края е същата като вътрешната енергия в началото. Това означава, че енергията се запазва. Вече знаем, че енергията нито се създава, нито се унищожава, а само се трансформира.
Първият етап от цикъла на Карно се основава на изотермично разширение. В този етап системата абсорбира топлина от резервоар 1 и претърпява изотермично разширение. Следователно обемът на газа се увеличава и налягането намалява. Температурата обаче остава постоянна, защото газът се охлажда с разширяването си. Следователно знаем, че вътрешната му енергия остава постоянна с течение на времето.
Във втория етап имаме адиабатно разширение. Адиабатно означава, че системата нито получава, нито губи топлина. Това се постига чрез поставяне на газа в топлоизолация, както бе споменато по-рано. Следователно, при адиабатно разширение обемът се увеличава, а налягането намалява, докато достигне най-ниската си стойност.
В третия етап имаме изотермична компресия. Тук изолацията се отстранява и системата влиза в контакт с термичен резервоар номер 2, който ще бъде с по-ниска температура. Следователно, системата прехвърля неизползваната отпадна топлина към този термичен резервоар. С пренасянето на топлина, налягането започва да се увеличава, а обемът започва да намалява.
Накрая, в последния етап от цикъла на Карно, имаме адиабатно свиване. Тук системата отново претърпява топлоизолация. Налягането се увеличава, обемът намалява, докато достигне началните си условия. Следователно цикълът е готов да започне отново.
ограничения
Както споменахме по-рано, двигателят на Карно е идеализиран. Това означава, че има ограничения, тъй като реалните двигатели нямат 100% ефективност. Знаем, че два двигателя на Карно имат еднаква ефективност, ако и двата работят с едни и същи резервоари на топлина. Това твърдение предполага, че веществото, което използваме, има значение, тъй като ефективността ще бъде напълно независима и не може да бъде увеличена.
Изводът, който правим от предишния анализ, е, че цикълът на Карно е върхът на термодинамичния процес, който в идеалния случай може да бъде достигнат. Тоест, освен това, няма да има двигател с по-голяма ефективност. Знаем, че фактът на топлоизолацията никога не е съвършен и адиабатни етапи не съществуват, тъй като има външен топлообмен.
В случая с автомобила, блокът на двигателя се нагрява и сместа въздух-гориво не се държи точно като идеален газ. Да не говорим за други фактори, които причиняват драстично намаляване на производителността.
Надявам се, че с тази информация можете да научите повече за цикъла на Карно и неговите характеристики.