دورة كارنو ودورة كارنو العكسية

دورة كارنو

تعتبر دورة كارنو من الدورات الحرارية التي تتميز بأفضل كفاءة ممكنة. تقوم دورة كارنو بتغيير الطاقة المتاحة في شكل حرارة لإنتاج عمليات عكسية قابلة للانعكاس (متساوية الحرارة) وغيرها من العمليات.

كفاءة محرك كارنو هي واحد ناقص نسبة درجة حرارة المخزن الحراري الساخن إلى درجة حرارة المخزن الحراري البارد. تعتبر دورة كارنو معروفة بوضع أعلى معيار لكفاءة يمكن أن يحققه أي دورة أو محرك.

يتم إنجاز العمل بواسطة الوسيط العامل خلال الجزء الأول من الدورة، ويتم إنجاز العمل على الوسيط العامل خلال الجزء الثاني من الدورة. الفرق بينهما هو العمل الصافي المنجز.

يمكن تعظيم كفاءة الدورة باستخدام العمليات التي تتطلب أقل قدر من العمل وتقدم أكثر باستخدام العمليات القابلة للعكس. عملياً، لا يمكن تحقيق الدورات القابلة للعكس بسبب عدم القابلية للعكس المرتبطة بكل عملية والتي لا يمكن إزالتها.

يعتبر الثلاجات والمحركات الحرارية التي تعمل على دورات قابلة للعكس نماذج للمقارنة مع المحركات الحرارية والثلاجات الحقيقية. في تطوير الدورة الفعلية، تُستخدم الدورة القابلة للعكس كنقطة انطلاق وتعديله لتلبية المتطلبات.

تتكون دورة كارنو من أربعة عمليات قابلة للعكس (عمليتين قابلتين للعكس ومتساويتين الحرارة وعمليتين قابلتين للعكس وأدياباتيتين) وهي كالأتي:

تُظهر دورة كارنو أدناه عبر مثال متعلق بالموتور البستوني:
الخطوة 1 - 2
(التوسع الأيزوثيرمي القابل للعكس، Th = ثابت)

TH هي درجة الحرارة الأولية للغاز وكذلك درجة حرارة المخزن الحراري الذي يكون على اتصال وثيق مع رأس الأسطوانة.

تنخفض درجة حرارة الغاز عند توسعه ويتم الحفاظ عليها ثابتة عن طريق نقل حرارة متناهية الصغر (dT) من المخزن الحراري إلى الغاز.
كمية الحرارة المنقولة خلال العملية إلى الغاز هي Qh

الخطوة 2 - 3
(التوسع الأدياباتي القابل للعكس، انخفاض درجة الحرارة من TH إلى TL)

يصبح النظام أدياباتياً عندما يتم استبدال المخزن الحراري بالعزل. خلال هذه العملية، تنخفض درجة حرارة الغاز من Th إلى Tl.

يُطلق على هذه العملية اسم القابلة للعكس والأدياباتية (لاحظ أن الديناميكا الحرارية الهندسية لديها تعريف خاص لأنظمة العمليات).

الخطوة 3 - 4
(الضغط الأيزوثيرمي القابل للعكس، Tl = ثابت)

في المرحلة 3، يتم استبدال مصدر الحرارة بمصدر العزل عند درجة حرارة Tl. عندما يقوم قوة خارجية بدفع المكبس نحو الداخل لإنجاز العمل على الغاز، فإن درجة حرارة الغاز ترتفع.

لكن درجة حرارة الغاز تبقى ثابتة عن طريق رفض الحرارة إلى المصدر. كمية الحرارة المرفوضة خلال العملية هي Ql.
الخطوة 4 - 1
(الضغط الأدياباتي القابل للعكس، ارتفاع درجة الحرارة من Tl إلى Th)

يتم استبدال مصدر الحرارة بالعزل وترتفع درجة حرارة الغاز من Tl إلى Th أثناء عملية الضغط.

العمل الصافي المنجز

العمل المنجز بواسطة الغاز خلال عملية التوسع هو المساحة تحت المنحنى 1-2-3.
العمل المنجز على الغاز خلال عملية الضغط هو المساحة تحت المنحنى 3-4-1

وبذلك يكون العمل الصافي المنجز هو المساحة تحت المسار 1-2-3-4-1.

أهمية دورة كارنو

تعتمد كفاءة محرك الحرارة على درجة الحرارة القصوى والدنيا للدورة:
يذكر كارنو أن كفاءة محرك الحرارة مستقلة عن نوع السائل وتعتمد فقط على درجة الحرارة القصوى والدنيا خلال الدورة.

وبالتالي تكون كفاءة محرك الحرارة أعلى عندما يعمل على درجة حرارة بخار مفرط.
دورة كارنو والقانون الثاني للديناميكا الحرارية:

أثبتت دورة كارنو بشكل واضح أن الحرارة تمتص من مصدر حراري ساخن يسمى المخزن الحراري والحرارة ترفض إلى المصب. هذا الواقع أصبح الأساس للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. ولكن يتطلب العمل الخارجي لنقل الحرارة في الاتجاه العكسي.

دورة كارنو العكسية

دورة كارنو هي دورة قابلة للعكس، وتصبح دورة التبريد كارنو العكسية عندما يتم عكس العملية. يتم عكس اتجاه تفاعلات الحرارة والعمل تماماً، وبالتالي
وبالتالي،

• الحرارة الممتصة من المخزن الحراري ذو درجة الحرارة المنخفضة هي Ql

• الحرارة المرفوضة إلى المخزن الحراري ذو درجة الحرارة العالية هي Qh

• العمل المنجز هو Wnet-in

دورة كارنو العكسية هي نفسها مثل دورة كارنو التقليدية باستثناء اتجاه العمليات.

تاريخ دورة كارنو

سُميت دورة كارنو باسم "أندريه ليوون كارنو" الذي اخترعها عام 1824. يعتبر كارنو مؤسس الديناميكا الحرارية لاكتشافه العلاقة بين الحرارة والعمل. كان كارنو من أوائل من أدرك أن الحرارة هي أساساً عمل في صورة مختلفة.

بيان: احترام الأصل، المقالات الجيدة مستحقة للنشر، إذا كان هناك انتهاك للملكية الفكرية يرجى الاتصال لحذف.