Когато говорим по физика и термодинамика на Цикъл на Карно Имаме предвид последователност от процеси, които протичат в машина на Карно. Това е идеално устройство, което се състои само от някои процеси от обратим тип. Това означава, че след като тези процеси са протекли, първоначалното състояние може да бъде върнато. Този тип двигател се счита във физиката за идеален двигател и се използва за планиране на останалите двигатели, тъй като се отнася до принципи на термодинамиката.
В тази статия ще ви разкажем всичко, което трябва да знаете за цикъла на Карно и основните му характеристики.
ключови характеристики
Говорим, че този тип двигател се счита за идеален двигател. Това е така, тъй като липсва разсейването на енергия поради триене със земята или въздуха и липса на вискозитет. Всички тези характеристики или недостатъци възникват във всеки реален двигател, тъй като невъзможно е да се превърне топлинната енергия в използваема работа на 100%. Въпреки това купчината на Карно може да симулира всички тези условия, за да може да работи по-добре и да прави изчисления по-лесно.
Когато купуваме двигател, ние го правим, започвайки от вещество, което може да върши работа. Например, основните използвани вещества са газ, бензин или пара. Когато тези вещества, които са способни да вършат работа, са подложени на различни промени в температурата и налягането, генерират някои вариации в техния обем. По този начин бутало може да се премести вътре в цилиндъра, за да има двигателя. Принципите на термодинамика 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 един с друг и това се постига благодарение на топлоизолацията, концепция, която е свързана с ентропия.
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. На този етап системата абсорбира топлината от термичния резервоар 1 и претърпява изотермично разширение. Следователно обемът на газа се увеличава и налягането намалява. Температурата обаче остава стабилна, тъй като когато газът се разширява, той се охлажда. Следователно знаем, че неговата вътрешна енергия остава постоянна във времето.
Във втория етап имаме a адиабатично разширение. Адиабатичен означава, че системата не набира или губи топлина. Това се постига чрез поставяне на газа в топлоизолация, както е посочено по-горе. Следователно при адиабатично разширение обемът се увеличава и налягането намалява, докато достигне най-ниската си стойност.
В трети етап имаме изотермична компресия. Тук премахваме изолацията и системата влиза в контакт с термичен резервоар номер 2, който ще бъде с по-ниска температура. Следователно системата е отговорна за прехвърлянето на отпадъчната топлина, която не е била използвана, към този термичен резервоар. С отделянето на топлината налягането започва да се увеличава, а обемът да намалява.
И накрая, в последния етап от цикъла на Карно имаме aадиабатна компресия. Тук се връщаме към етап на топлоизолация от системата. Налягането увеличава обема намалява до достигане на първоначалните условия отново. Следователно цикълът е готов да започне отново.
ограничения
Както споменахме преди, двигателят на Карно е идеализиран. Това означава, че има своите ограничения оттогава истинските двигатели нямат тази 100% ефективност. Знаем, че две машини на Карно имат еднаква ефективност, ако и двете работят с едни и същи термични резервоари. Това твърдение означава, че веществото, което използваме, има значение, тъй като производителността 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 случай на автомобил блокът на двигателя се нагрява и сместа от бензин и въздух не се държи точно като идеален газ. Да не говорим за някои фактори, които причиняват драстично намаляване на производителността.
Надявам се, че с тази информация можете да научите повече за цикъла на Карно и неговите характеристики.