El cicle de Carnot és un cicle termodinàmic conegut per la seva màxima eficiència possible. El cicle de Carnot transforma l'energia disponible en forma de calor per produir processos útils, reversible-isotèrmics (isòtrops) i altres processos.
L'eficiència del motor de Carnot és una menys la raó entre la temperatura del reservori tèrmic calent i la temperatura del reservori fred. El cicle de Carnot és conegut per establir el punt de referència més alt d'eficiència que qualsevol cicle o motor pot assolir.
Es realitza treball pel fluid de treball durant la primera part del cicle i es realitza treball sobre el fluid de treball durant la segona part del cicle. La diferència entre els dos és el treball net realitzat.
L'eficiència del cicle es pot maximitzar utilitzant processos que requereixen la quantitat mínima de treball i ofereixen el màxim utilitzant processos reversibles. Pràcticament, no es poden aconseguir cicles reversibles degut a la irreversibilitat associada a cada procés, que no es pot eliminar.
Els refrigeradors i motors tèrmics que funcionen amb cicles reversibles són considerats models per comparar els motors tèrmics i refrigeradors reals. En el desenvolupament del cicle real, el cicle reversible serveix com a punt de partida i es modifica per complir les necessitats.
El cicle de Carnot està compost per quatre processos reversibles (2 processos isotèrmics reversibles i 2 processos adiabàtics reversibles) que són els següents:
El Cicle de Carnot es demostra a continuació a través de l'exemple rellevant del pistó:
PAS 1 – 2
(Expansió Isotèrmica Reversible, Th = Constant)
TH és la temperatura inicial del gas i també la temperatura del reservori, que està en contacte proper amb la capçalera del cilindre.
La temperatura del gas baixa quan el gas s'expandeix i es manté constant transferint una quantitat infinitesimal de calor (dT) des del reservori al gas.
La quantitat de calor transferida durant el procés al gas és Qh
PAS 2 – 3
(Expansió Adiabàtica Reversible, baixada de temperatura de TH a TL)
El sistema es converteix en adiabàtic quan el reservori de calor es substitueix per aïllament. Durant aquest procés, la temperatura del gas baixa de Th a Tl.
Aquest procés es diu reversible i també adiabàtic (nota que la termodinàmica d'enginyeria té una definició específica per a sistemes i processos).
PAS 3 – 4
(Compressió Isotèrmica Reversible, Tl = constant)
A l'estadi 3, el dissipador de calor substitueix l'aïllament de la capçalera del cilindre a la temperatura Tl. Quan una força externa empeny el pistó cap endins per fer treball al gas, la temperatura del gas augmenta.
Però la temperatura del gas es manté constant rebutjant calor al dissipador. La quantitat de calor rebutjada durant el procés és Ql.
PAS 4 – 1
(Compressió Adiabàtica Reversible, increment de temperatura de Tl a Th)
El dissipador d'energia es substitueix per aïllament i la temperatura del gas augmenta de Tl a Th durant el procés de compressió.
El treball realitzat pel gas durant el procés d'expansió és l'àrea donada sota la corba 1-2-3.
El treball realitzat al gas durant el procés de compressió és l'àrea donada sota la corba 3-4-1
Així, el treball net realitzat és donat per l'àrea sota el camí 1-2-3-4-1.
L'eficiència del motor tèrmic depèn de la temperatura màxima i mínima del cicle:
Carnot afirma que l'eficiència del motor tèrmic és independent del tipus de fluid i només depèn de les temperatures màxima i mínima durant el cicle.
Així, l'eficiència del motor tèrmic és més alta quan opera a temperatura de vapor sobrecalentat.
Cicle de Carnot i Segon principi de la termodinàmica:
El cicle de Carnot demostra clarament que la calor s'absorbeix d'una font de calor a alta temperatura anomenada reservori i la calor es rebutja al dissipador. Aquest fet es converteix en la base del segon principi de la termodinàmica. Però es requereix treball extern per moure la calor en la direcció contrària.
Cicle de Carnot és un cicle reversible, i es converteix en el cicle de refrigeração de Carnot quan el procés es inverteix. La direcció de les interaccions de calor i treball es inverteix totalment, així
Així,
Calor absorbida del reservori tèrmic a baixa temperatura és Ql
Calor rebutjada al reservori tèrmic a alta temperatura és Qh
Treball realitzat és Wnet-in
Cicle de Carnot Invertit és el mateix que el convencional Cicle de Carnot, excepte per la direcció dels processos.
El cicle de Carnot porta el nom de "N. L. Sadi Carnot" qui el va inventar el 1824. Sadi Carnot és considerat el fundador de la termodinàmica per haver descobert la relació entre calor i treball. Carnot va ser un dels primers a reconèixer que la calor és essencialment treball en una forma diferent.
Declaració: Respecteu l'original, els bons articles mereixen ser compartits, si hi ha infracció de drets d'autor poseu-vos en contacte per eliminar-lo.
