Cikel Carnot. Carnot plin

Najučinkovitejši cikel toplotnega motorja je Carnotov cikel toplote. Sestavljen je iz dveh izotermnih in dveh adiabatnih procesov. Drugi zakon termodinamike ugotavlja, da ni mogoče uporabiti vse toplote, ki se dobavlja toplotnemu motorju, za opravljanje dela. Učinkovitost takšnega motorja, ki izvaja cikel Carnot, daje mejno vrednost tistega dela, ki se lahko uporabi za te namene.

Nekaj ​​besed o reverzibilnosti fizičnih procesov

Fizični (in v ožjem smislu termodinamični) proces v določenem sistemu teles (vključno s trdnimi snovmi, tekočinami, plini) je reverzibilen, če je po njegovi izvedbi mogoče obnoviti stanje, v katerem je bil sistem pred začetkom. Če se na koncu postopka ne more vrniti v prvotno stanje, je nepreklicna.

V naravi se ne pojavljajo reverzibilni procesi. To je idealiziran model realnosti, nekakšno orodje za raziskovanje v fiziki. Primer takega postopka je Carnotov cikel. Idealni toplotni motor je model resničnega sistema, ki izvaja proces, poimenovan po francoskem fiziku Sadiju Carnotu, ki ga je prvi opisal.

Kaj povzroča nepovratnost procesa?

Dejavniki, ki vodijo do tega, so:

• toplotni tokovi od vira toplote do potrošnika pri končni temperaturni razliki med njimi;
• neomejena širitev plina;
• mešanje dveh plinov;
• trenje;
• prehod električni tok z odpornostjo;
• neelastična deformacija;
• kemijske reakcije.

Postopek je nepopravljiv, če je prisoten kateri koli od teh dejavnikov. Carnotov idealen cikel je reverzibilen proces.

Notranji in zunanji reverzibilni procesi

Ko se proces izvede, se lahko njegovi faktorji nepreklicnosti nahajajo v okviru sistema samih teles, pa tudi v njegovi okolici. Imenuje se notranje reverzibilen, če je mogoče sistem obnoviti v isto stanje ravnovesja, v katerem je bil v začetku. Hkrati znotraj nje ne more biti dejavnikov nepovratnosti, dokler traja proces, ki ga obravnavamo.

Če v procesu ne obstajajo dejavniki nepovratnosti, potem se ta proces imenuje zunaj reverzibilen.

Postopek se imenuje popolnoma reverzibilen, če je notranji in zunanji reverzibilen.

Kaj je cikel Carnot?

V tem procesu, ki ga izvaja idealen toplotni motor, deluje delovni fluid - segret plin mehansko delo zaradi toplote, pridobljene iz visokotemperaturnega rezervoarja toplote (grelnika), in tudi oddaja toploto nizkotemperaturnemu rezervoarju toplote (hladilniku).

Carnotov cikel je eden najbolj znanih reverzibilnih ciklov. Sestavljen je iz štirih reverzibilnih procesov. In čeprav so taki cikli v praksi nedosegljivi, pa določajo zgornje meje delovanja realnih ciklov. V teoriji je prikazano, da ta neposredni cikel z največjo možno učinkovitostjo pretvarja toplotno energijo (toploto) v mehansko delo.

Kot popoln plin Carnotov cikel?

Razmislite o idealnem toplotnem motorju, ki vsebuje valj s plinom in batom. Štiri reverzibilni procesi delovnega cikla takšnega stroja so:

1. Reverzibilna izotermična ekspanzija. Na začetku postopka ima plin v jeklenki temperaturo T _H. Skozi stene jeklenke se dotika grelnika, ki ima neskončno temperaturno razliko s plinom. Posledično ni ustreznega faktorja ireverzibilnosti v obliki končne temperaturne razlike in obstaja reverzibilen proces prenosa toplote iz grelnika na delovno tekočino - plin. Njegova notranje energije raste, razširi se počasi, medtem ko dela na premikanju bata in ostane pri konstantni temperaturi T _H. Celotna količina toplote, ki jo grelnik v tem postopku prenese na plin, je enaka Q _H, vendar se le del pretvori v delovanje.

2. Reverzibilna adiabatna ekspanzija. Grelec se odstrani in plin, ki opravlja Carnotov cikel, se počasi še dodatno adiabatsko (s stalno entropijo) razširi brez izmenjave toplote skozi stene valja ali bata. Njegovo delo na gibanju bata vodi do zmanjšanja notranje energije, kar se odraža v znižanju temperature od T _H do T _L. Če predpostavimo, da se bat premika brez trenja, je postopek reverzibilen.

3. Reverzibilna izotermična kompresija. Cilinder je v stiku s hladilnikom s temperaturo T _L. Bat začne potiskati zunanjo silo, ki opravlja kompresijo plina. Istočasno ostane njegova temperatura enaka T _L, proces, ki vključuje prenos toplote iz plina v hladilnik in kompresijo, ostane reverzibilen. Skupna količina toplote, ki se odstrani iz plina v hladilniku, je Q _L.

4 Reverzibilna adiabatna kompresija. Hladilnik se odstrani in plin počasi stisne adiabatsko (s stalno entropijo). Temperatura naraste od T _L do T _N. Plin se vrne v prvotno stanje, kar zaključi cikel.

Carnotova načela

Če so procesi, ki sestavljajo Carnotov cikel toplotnega motorja, reverzibilni, se imenuje reverzibilni toplotni motor. V nasprotnem primeru imamo njegovo nepopravljivo možnost. V praksi so vsi toplotni motorji taki, od reverzibilnih procesov ne obstaja v naravi.

Carnot je oblikoval načela, ki so posledica drugega zakona termodinamike. Izražajo se na naslednji način:

1. Učinkovitost ireverzibilnega toplotnega motorja je vedno manjša kot pri reverzibilnem ogrevalnem motorju, ki deluje iz istih dveh toplotnih zbiralnikov.

2. Učinkovitost vseh obratnih toplotnih motorjev, ki delujejo iz istih dveh toplotnih rezervoarjev, sta enaka.

To pomeni, da učinkovitost reverzibilnega toplotnega motorja ni odvisna od uporabljene delovne tekočine, njenih lastnosti, trajanja delovnega cikla in tipa toplotnega motorja. To je samo funkcija temperature posode:

η = 1 - Q _L / Q g = g (T _Н , T _L )

ali

Q _H / Q _L = f (T _H , T _L ),

kjer je Q _L toplota, prenesena v nizkotemperaturni rezervoar, ki ima temperaturo T _L; Q _H - toplota, prenesena iz visoko temperaturnega rezervoarja, ki ima temperaturo T _H; g, F - vse funkcije.

Carnot Heat Engine

To imenujejo toplotni motor, ki deluje na reverzibilnem Carnotovem ciklu. Toplotni izkoristek katerega koli toplotnega motorja, reverzibilen ali ne, je opredeljen kot

η _th = 1 - Q _L / Q _H,

kjer sta Q _L in Q _H količine toplote, prenesene v ciklu v nizkotemperaturni rezervoar pri temperaturi T _L in iz visoko temperaturnega rezervoarja pri temperaturi T _H. Pri reverzibilnih toplotnih motorjih se lahko toplotna učinkovitost izrazi z absolutnimi temperaturami teh dveh rezervoarjev:

η _th = 1 - T _L / T _H.

Učinkovitost ogrevalnega motorja Carnot je najvišja učinkovitost, ki jo lahko doseže toplotni motor z delovanjem med visoko temperaturnim rezervoarjem pri temperaturi T _H in nizkotemperaturnim rezervoarjem pri temperaturi T _L. Vsi nepovratni toplotni motorji, ki delujejo med istima dvema posodama, imajo manjšo učinkovitost.

Obratni proces

Zadevni cikel je popolnoma reverzibilen. Možnost hlajenja je mogoče doseči z obračanjem vseh procesov, ki so v njem vključeni. V tem primeru se uporablja Carnotov cikel za ustvarjanje temperaturne razlike, t.j. toplotne energije. Med obratnim ciklom se količina toplote Q _L plina prejme iz nizkotemperaturnega rezervoarja in količina toplote Q _H se dobi v visokotemperaturnem rezervoarju toplote. Energija W _{neto, v} je potrebna za izvedbo cikla. Je enako površini številke, omejene z dvema izotermama in dvema adiabatoma. PV diagrami naprej in nazaj Carnotovih ciklov so prikazani na spodnji sliki.

Hladilnik in toplotna črpalka

Hladilnik ali toplotna črpalka, ki izvaja povratni cikel Carnot, se imenuje hladilnik Carnot ali toplotna črpalka Carnot.

Učinkovitost reverzibilnega ali nepovratnega hladilnika (η _R ) ali toplotna črpalka (η _HP) je opredeljena kot:

η _R = 1 / ((Q _H / Q _L ) - 1),

η _HP = 1 / (1- (Q _L / Q _H )),

pri čemer je Q of količina toplote, ki se odvaja v visoko temperaturno posodo;
Q _L - količina toplote, pridobljene iz nizkotemperaturnega rezervoarja.

Za reverzibilne hladilnike ali toplotne črpalke, kot so hladilniki Carnot ali toplotne črpalke Carnot, se učinkovitost lahko izrazi kot absolutne temperature:

η _R = 1 / (( _TH / T _L ) - 1),

η _HP = 1 / (1 - (T _L / T _H )),

kjer je T _N = absolutna temperatura v visokotemperaturnem rezervoarju;
T _L = absolutna temperatura v nizkotemperaturnem rezervoarju.

η _R (ali η _HP ) so najvišja učinkovitost hladilnika (ali toplotne črpalke), ki ga lahko dosežejo z delovanjem med visoko temperaturno posodo pri temperaturi T _H in nizkotemperaturnim rezervoarjem pri temperaturi T _L. Vsi nepovratni hladilniki ali toplotne črpalke, ki delujejo med istima dvema posodama, imajo manjšo učinkovitost.

Gospodinjski hladilnik

Osnovna zamisel o domačem hladilniku je preprosta: uporablja izhlapevanje hladilnega sredstva, da absorbira toploto iz hladilnega prostora v hladilniku. V vsakem hladilniku so štirje glavni deli:

• Kompresor.
• Cevni radiator zunaj hladilnika.
• Ekspanzijski ventil.
• Cevi za prenos toplote v hladilniku.

Obratno cikel Carnot, ko hladilnik deluje v naslednjem vrstnem redu:

• Adiabatna kompresija. Kompresor stisne pare hladilnega sredstva, kar poveča njihovo temperaturo in tlak.
• Izotermalna kompresija. Visokotemperaturne in kompresorsko stisnjene hladilne pare razpršujejo toploto v okolje (visokotemperaturni rezervoar), saj teče skozi radiator zunaj hladilnika. Pare hladiva se kondenzirajo (stisnejo) v tekočo fazo.
• Adiabatska ekspanzija. Tekoče hladilno sredstvo teče skozi ekspanzijski ventil, da zmanjša njegov tlak.
• Izotermalna ekspanzija. Hladna tekoča hladilna tekočina izhlapi, ko gre skozi cevi za izmenjavo toplote v hladilniku. V procesu izhlapevanja raste njena notranja energija in ta rast je zagotovljena z odstranitvijo toplote iz notranjega prostora hladilnika (nizkotemperaturni rezervoar), zaradi česar se ohladi. Nato plin ponovno vstopi v kompresor. Ponovi se obratni cikel Carnot.