Cyklus Carnot. Carnot cyklus plyn

Nejúčinnějším cyklem tepelného motoru je cyklus tepla Carnot. Skládá se ze dvou izotermických a dvou adiabatických procesů. Druhý termodynamický zákon stanoví, že k vytápění nemůže být použito veškeré teplo přiváděné do tepelného motoru. Účinnost takového motoru, který implementuje cyklus Carnot, dává limitní hodnotu té části, která může být použita pro tyto účely.

Několik slov o vratnosti fyzických procesů

Fyzikální (a v úzkém smyslu, termodynamický) proces v jistém systému těl (včetně pevných látek, kapalin, plynů) je reverzibilní, jestliže po jeho zavedení je možné obnovit stav, ve kterém byl systém před jeho zahájením. Pokud se na konci procesu nemůže vrátit do původního stavu, je to nevratné.

Reverzibilní procesy se v přírodě nevyskytují. Jedná se o idealizovaný model reality, jakýsi nástroj pro jeho výzkum ve fyzice. Příkladem takového procesu je cyklus Carnot. Ideální teplo je model skutečného systému, který realizuje proces, pojmenovaný po francouzském fyzikovi Sadi Carnotovi, který ho poprvé popsal.

Co způsobuje nezvratnost procesu?

Faktory, které k tomu vedou, zahrnují:

• teplo proudí ze zdroje tepla k spotřebiteli při konečném teplotním rozdílu mezi nimi;
• neomezené rozšíření plynu;
• smíchání dvou plynů;
• tření;
• průchod elektrického proudu přes odpor;
• nepružná deformace;
• chemické reakce.

Tento proces je nevratný, pokud je přítomen některý z těchto faktorů. Ideální cyklus Carnot je reverzibilní proces.

Interně a externě reverzibilní procesy

Když se proces provádí, jeho faktory ireverzibility se mohou nacházet v rámci samotného systému těl, stejně jako v jeho blízkosti. To je nazýváno vnitřně reverzibilní, pokud systém může být obnoven do stejného stavu rovnováhy, ve kterém byl na jeho začátku. Současně uvnitř toho nemohou existovat žádné faktory nezvratnosti, pokud trvá proces, který je předmětem tohoto posouzení.

Jestliže faktory ireverzibility chybí mimo hranice systému v procesu, pak se nazývá externě reverzibilní.

Proces se nazývá plně reverzibilní, je-li vnitřní a externí reverzibilní.

Co je cyklus Carnot?

V tomto procesu, prováděný ideálním tepelným motorem, pracuje pracovní tekutina - ohřátý plyn mechanická práce díky teplu získanému z vysokoteplotního tepelného zásobníku (ohřívač) a také odvádí teplo do nízkoteplotní tepelné nádrže (chladiče).

Cyklus Carnot je jedním z nejslavnějších reverzibilních cyklů. Skládá se ze čtyř reverzibilních procesů. A ačkoli takové cykly jsou v praxi nedosažitelné, ale nastavují horní hranice výkonu skutečných cyklů. Teoreticky se ukazuje, že tento přímý cyklus provádí s nejvyšší možnou účinností přeměnu tepelné energie (tepla) na mechanickou práci.

As perfektní plyn Carnot cyklus?

Zvažte ideální tepelný motor obsahující válec s plynem a píst. Čtyři reverzibilní procesy pracovního cyklu takového stroje jsou:

1. Reverzibilní izotermická expanze. Na začátku procesu má plyn ve válci teplotu T _H. Přes stěny válce se dostane do styku s ohřívačem, který má plynulý teplotní rozdíl. V důsledku toho neexistuje odpovídající faktor ireverzibility ve formě konečného teplotního rozdílu a existuje reverzibilní proces přenosu tepla z ohřívače na pracovní tekutinu - plyn. Jeho vnitřní energie roste, rozšiřuje se pomalu, zatímco pracuje na pohybu pístu a zůstává při konstantní teplotě T _H. Celkové množství tepla přenášeného do plynu ohřívačem během tohoto procesu se rovná QH _, nicméně pouze jeho část je převedena do provozu.

2. Reverzibilní adiabatická expanze. Ohřívač je odstraněn a plyn, který provádí cyklus Carnot, se pomalu expanduje adiabaticky (s konstantní entropií) bez výměny tepla stěnami válce nebo pístu. Jeho práce na pohybu pístu vede k poklesu vnitřní energie, což se odráží ve snížení teploty z T _H na T _L. Pokud předpokládáme, že se píst pohybuje bez tření, pak je proces reverzibilní.

3. Reverzibilní izotermální komprese. Válec je přiveden do kontaktu s chladničkou, která má teplotu T _L. Píst začíná tlačit zpět vnější sílu, která provádí práce s kompresí plynu. Současně zůstává jeho teplota rovna TL a proces včetně přenosu tepla z plynu do chladničky a komprese zůstává reverzibilní. Celkové množství tepla odebrané z plynu v chladničce je Q _L.

4 Reverzibilní adiabatická komprese. Chladnička je odstraněna a plyn je pomalu stlačován adiabaticky (s konstantní entropií). Jeho teplota vzrůstá z T _L na T _N. Plyn se vrací do původního stavu, který dokončí cyklus.

Carnot principy

Pokud jsou procesy, které tvoří cyklus Carnot tepelného motoru, reverzibilní, nazývá se to reverzibilní tepelný motor. Jinak máme nevratnou možnost. V praxi jsou všechny tepelné motory takové, protože reverzibilní procesy neexistuje v přírodě.

Carnot formuloval principy, které jsou důsledkem druhého zákona termodynamiky. Jsou vyjádřeny následovně:

1. Účinnost nevratného tepelného motoru je vždy nižší než účinnost reverzibilního motoru pracujícího ze stejných dvou zásobníků tepla.

2. Účinnost všech reverzibilních tepelných motorů pracujících ze stejných dvou zásobníků tepla je stejná.

To znamená, že účinnost reverzibilního tepelného motoru nezávisí na použité pracovní tekutině, jejích vlastnostech, délce pracovního cyklu a typu tepelného motoru. Je to jen funkce teploty nádrže:

n = 1 - Q _L / Q _H = g (T _H , T _L )

nebo

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

kde Q _L je teplo převedené do nízkoteplotní nádrže, která má teplotu T _L; Q _H - teplo převedené z vysokoteplotní nádrže, která má teplotu T _H; g, F - libovolné funkce.

Carnot Heat Engine

Říkají takový tepelný motor, který funguje na reverzibilním cyklu Carnot. Tepelná účinnost jakéhokoli tepelného motoru, reverzibilního nebo ne, je definována jako

η _th = 1 - Q _L / Q _H,

kde QL a QH jsou množství tepla přeneseného v cyklu do nízkoteplotní nádrže při teplotě TL a z nádrže s vysokou teplotou při teplotě TH. V případě reverzibilních tepelných motorů lze tepelnou účinnost vyjádřit absolutní teplotou těchto dvou nádrží:

η _th = 1 - T _L / T _H.

Účinnost tepelného motoru Carnot je nejvyšší účinnost, kterou může tepelný motor dosáhnout tím, že pracuje mezi vysokoteplotní nádrží při teplotě T _H a nízkoteplotní nádrží při teplotě T _L. Všechny nevratné tepelné motory pracující mezi těmito dvěma tanky mají nižší účinnost.

Reverzní proces

Dotčený cyklus je zcela reverzibilní. Možnost jeho chlazení může být dosažena obrácením všech procesů, které se jí týkají. V tomto případě se cyklus Carnot používá k vytvoření teplotního rozdílu, tj. tepelná energie. Během reverzního cyklu přijme množství tepla QL z nízkoteplotní nádrže a množství tepla QH jim je dáno v tepelné nádrži s vysokou teplotou. Energie W _{net, in} je povinná provést cyklus. To se rovná ploše postavy ohraničené dvěma izotermy a dvěma adiabaty. PV diagramy dopředného a zpětného cyklu Carnot jsou uvedeny na následujícím obrázku.

Chladnička a tepelné čerpadlo

Chladnička nebo tepelné čerpadlo, které provádí reverzní cyklus Carnot, se nazývá chladnička Carnot nebo tepelné čerpadlo Carnot.

Účinnost reverzibilní nebo nevratná chladnička (η _R ) nebo tepelné čerpadlo (η _HP) je definováno jako:

_R = 1 / ((QH / QL) -1),

_HP = 1 / (1- (QL / QH)),

kde _QH je množství tepla vypouštěného do vysokoteplotní nádrže;
Q _L - množství tepla z nízkoteplotní nádrže.

U reverzních chladniček nebo tepelných čerpadel, jako jsou chladničky Carnot nebo tepelné čerpadla Carnot, lze vyjádřit účinnost v absolutních teplotách:

_R = 1 / ((T _H / TL) - 1),

n _HP = 1 / (1 - (T _L / T _H )),

kde T _N = absolutní teplota ve vysokoteplotní nádrži;
T _L = absolutní teplota v nádrži pro nízkou teplotu.

η _R (nebo η _HP ) je nejvyšší účinnost chladničky (nebo tepelného čerpadla), kterou mohou dosáhnout tím, že pracuje mezi vysokoteplotní nádrží při teplotě T _H a nízkoteplotní nádrží při teplotě T _L. Všechny nevratné chladničky nebo tepelná čerpadla pracující mezi dvěma stejnými nádržemi mají nižší účinnost.

Chladnička pro domácnost

Základní myšlenka domácí chladničky je jednoduchá: používá odpařování chladiva, aby absorbovala teplo z chladicího prostoru v chladničce. Ve všech chladničkách jsou čtyři hlavní části:

• Kompresor.
• Tubulární chladič mimo chladničku.
• Expanzní ventil.
• Trubky pro přenos tepla uvnitř chladničky.

Reverse Carnot cyklus, když chladnička běží v následujícím pořadí:

• Adiabatická komprese. Kompresor komprimuje páru chladiva a zvyšuje jeho teplotu a tlak.
• Izotermická komprese. Vysokoteplotní a kompresorově stlačené pary chladicí kapaliny rozptylují teplo do prostředí (vysokoteplotní nádrž), jak protéká chladičem uvnitř chladničky. Parní chladiva se kondenzuje (stlačuje) do kapalné fáze.
• Adiabatická expanze. Tekuté chladivo proudí expanzním ventilem, aby se snížil jeho tlak.
• Izotermická expanze. Chladné kapalné chladivo se odpařuje, když prochází trubkami pro výměnu tepla uvnitř chladničky. V procesu odpařování vzrůstá jeho vnitřní energie a tento růst je zajištěn odstraněním tepla z vnitřního prostoru chladničky (nízkoteplotní nádrž), v důsledku čehož se ochlazuje. Poté plyn vstoupí do kompresoru, aby se opět zkomprimoval. Reverzní cyklus Carnot se opakuje.