Ko govorimo v fiziki in termodinamiki Carnotov cikel Govorimo o zaporedju procesov, ki potekajo v Carnotovem motorju. To je idealna naprava, ki je sestavljena samo iz nekaj procesov reverzibilnega tipa. To pomeni, da se lahko, ko se ti procesi izvedejo, vrne v začetno stanje. Ta tip motorja se v fiziki obravnava kot idealen motor in se uporablja za načrtovanje ostalih motorjev, saj se nanaša na načela termodinamike.
V tem članku vam bomo povedali vse, kar morate vedeti o Carnotovem ciklusu in njegovih glavnih značilnostih.
Glavne značilnosti
Govorimo, da ta tip motorja velja za idealen motor. To je tako, ker zaradi trenja s tlemi ali zrakom in zaradi viskoznosti ne izgublja energije zaradi odvajanja energije. Vse te značilnosti ali pomanjkljivosti se pojavijo v katerem koli resničnem motorju, saj nemogoče je pretvoriti toplotno energijo v uporabno delo za 100%. Vendar lahko Carnotova kopica simulira vse te pogoje, da lahko bolje deluje in na enostavnejši način izračunava.
Ko kupimo motor, začnemo s snovjo, ki je sposobna opravljati delo. Na primer, glavne uporabljene snovi so plin, bencin ali para. Ko so te snovi, ki lahko opravljajo delo, izpostavljene različnim spremembam temperature in tlaka, ustvarijo nekaj sprememb v njihovem obsegu. Na ta način je mogoče bat premakniti v valj, da dobimo motor. Načela termodinamika imajo v teh procesih ključno vlogo.
Kaj je Carnotov cikel?
Ta cikel se pojavi v sistemu, imenovanem Carnotov motor. V tem motorju je idealen plin, ki je zaprt v jeklenki in je opremljen z batom. Bat je v stiku z različnimi viri, ki imajo različne temperature. V tem sistemu je nekaj postopkov, ki jih lahko povzamemo v naslednjih korakih:
- V napravo se dovaja določena količina toplote. Ta količina toplote prihaja iz visokotemperaturnega termalnega rezervoarja.
- Motor opravlja delo zaradi te toplote, ki bi jo dovajali
- Del toplote se porabi, nekaj pa zapravi. Odpadki se prenesejo v termo rezervoar, ki ima nižjo temperaturo.
Ko bomo videli vse procese, bomo videli, katere so faze Carnotovega cikla. Analiza teh procesov se izvede z uporabo diagrama, v katerem se izmeri tlak in prostornina. Namen motorja je lahko ohranjanje hladnosti rezervoarja številka dva z odvajanjem toplote iz njega. V tem primeru bomo govorili o hladilnem stroju. Če je ravno nasprotno, prenos toplote v toplotni rezervoar številka ena, potem govorimo o toplotni črpalki.
Če analiziramo diagram tlaka in prostornine, vidimo, da so spremembe tlaka in temperature motorja prikazane pod določenimi pogoji, ki so naslednji:
- Vedno, ko temperatura ostane konstantna. Tu govorimo o izotermičnem procesu.
- Brez prenosa toplote. Tu imamo toplotno izolacijo.
Izotermne procese je treba med seboj povezati, kar se doseže s toplotno izolacijo, konceptom, ki je povezan s entropija.
Faze Carnotovega cikla
Na začetni točki lahko začnemo s katerimkoli delom cikla, v katerem ima plin določene pogoje tlaka, prostornine in temperature. Ta plin bo podvržen vrsti procesov, ki ga bodo pripeljali do vrnitve v izhodiščne pogoje. Ko se je plin vrnil v začetne razmere, je bil v popolnem stanju za začetek drugega cikla. Ti pogoji so izpolnjeni, dokler je notranja energija na koncu enaka notranji energiji na začetku. To pomeni, da se energija ohranja. Vemo že, da se energija ne ustvarja in ne uničuje, ampak le transformira.
Prva stopnja Carnotovega cikla temelji na izotermični ekspanziji. V tej fazi sistem absorbira toploto iz toplotnega rezervoarja 1 in se izotermično razširi. Tako se prostornina plina poveča in tlak zmanjša. Vendar temperatura ostane stabilna, saj se plin, ko se razširi, ohladi. Zato vemo, da njegova notranja energija sčasoma ostaja nespremenjena.
V drugi fazi imamo adiabatska ekspanzija. Adijabatično pomeni, da sistem ne pridobiva ali izgublja toplote. To dosežemo z namestitvijo plina v toplotno izolacijo, kot je navedeno zgoraj. Zato se pri adiabatski ekspanziji prostornina povečuje in tlak zmanjšuje, dokler ne doseže najnižje vrednosti.
V tretja stopnja imamo izotermično stiskanje. Tu odstranimo izolacijo in sistem pride v stik s termo rezervoarjem številka 2, ki bo pri nižji temperaturi. Iz tega razloga je sistem odgovoren za prenos odpadne toplote, ki ni bila porabljena v ta termalni rezervoar. Ko se toplota sprosti, začne tlak naraščati, volumen pa padati.
Končno, v zadnji fazi Carnotovega cikla imamoadiabatska kompresija. Tu se vrnemo na stopnjo toplotne izolacije sistema. Tlak povečuje prostornino zmanjšuje, dokler spet ne doseže začetnih pogojev. Zato je cikel pripravljen za ponovni zagon.
Omejitve
Kot smo že omenili, je Carnotov motor idealiziran. To pomeni, da ima svoje omejitve pravi motorji nimajo te 100% učinkovitosti. Vemo, da imata dva Carnotova stroja enak izkoristek, če oba delujeta z istimi toplotnimi rezervoarji. Ta izjava pomeni, da je snov, ki jo uporabljamo, pomembna, saj bo zmogljivost popolnoma neodvisna in je ni mogoče povečati.
Zaključek, ki ga izhajamo iz prejšnje analize, je, da je Carnotov cikel vrh termodinamičnega procesa, ki ga je mogoče idealno doseči. Z drugimi besedami, poleg tega ne bo motorja z večjo učinkovitostjo. Vemo, da dejstvo toplotne izolacije ni nikoli popolno in adijabatske stopnje ne obstajajo, saj obstaja zunanja izmenjava toplote.
Pri avtomobilu se blok motorja segreje in mešanica bencina in zraka se ne obnaša ravno tako kot idealen plin. Da ne omenjam nekaterih dejavnikov, ki povzroči drastično zmanjšanje zmogljivosti.
Upam, da boste s temi informacijami izvedeli več o Carnotovem ciklusu in njegovih značilnostih.