Carnotův cyklus a Carnotův cyklus v opačném směru

Carnotův cyklus

Carnotův cyklus je termodynamický cyklus, který je známý tím, že poskytuje nejlepší možnou efektivitu. Carnotův cyklus převádí energii dostupnou ve formě tepla na užitečné práce prostřednictvím reverzibilních adiabatických (izotermických) a jiných procesů.

Efektivita Carnotova motoru je jedna minus poměr teploty horkého teplého zdroje k teplotě chladného zdroje. Carnotův cyklus je znám tím, že stanovuje nejvyšší standard efektivity, který může dosáhnout jakýkoli cyklus nebo motor.

Práce je vykonána pracovním médium během první části cyklu a práce je vykonána na pracovním médium během druhé části cyklu. Rozdíl mezi těmito dvěma je celková vykonaná práce.

Efektivita cyklu lze maximalizovat využitím procesů, které vyžadují nejmenší množství práce a dodávají nejvíce prostřednictvím reverzibilních procesů. Prakticky nelze dosáhnout reverzibilních cyklů kvůli ireverzibilitě spojené s každým procesem, kterou nelze eliminovat.

Ledničky a tepelné motory, které pracují na reverzibilních cyklech, jsou považovány za modely pro srovnání skutečných tepelných motorů a ledniček. Při vývoji skutečného cyklu slouží reverzibilní cyklus jako výchozí bod a je upravován, aby splňoval požadavky.

Carnotův cyklus se skládá ze čtyř reverzibilních procesů (2 reverzibilní izotermy a 2 reverzibilní adiabaty) a jsou následující:

Carnotův cyklus je demonstrován níže pomocí relevantního příkladu pístu:
KROK 1 – 2
(Reverzibilní izoterma expanze, Th = konstanta)

TH je počáteční teplota plynu a také teplota zdroje, který má blízký kontakt s hlavou válce.

Teplota plynu klesne, když se rozšiřuje, a ta je udržována konstantní přenosem infinitesimálního tepla (dT) ze zdroje do plynu.
Množství přeneseného tepla během procesu do plynu je Qh

KROK 2 – 3
(Reverzibilní adiabata expanze, pokles teploty od TH do TL)

Systém se stane adiabatickým, když je zdroj tepla nahrazen izolací. Během tohoto procesu klesne teplota plynu z Th na Tl.

Tento proces se nazývá reverzibilní i adiabatický (poznámka: inženýrská termodynamika má specifické definice pro systémy a procesy).

KROK 3 – 4
(Reverzibilní izoterma komprese, Tl = konstanta)

Na etapě 3 byla izolace hlavy válce nahrazena odpadem tepla o teplotě Tl. Když vnější síla píst tlačí směrem dovnitř a provádí práci na plynu, pak teplota plynu stoupá.

Ale teplota plynu je udržována konstantní odmítáním tepla do odpadu. Množství odmítnutého tepla během procesu je Ql.
KROK 4 – 1
(Reverzibilní adiabata komprese, vzestup teploty od Tl do Th)

Odpad tepla je nahrazen izolací a teplota plynu stoupá z Tl na Th během procesu komprese.

Celková práce

Práce vykonaná plyny během procesu expanze je plocha pod křivkou 1-2-3.
Práce vykonaná na plyny během procesu komprese je plocha pod křivkou 3-4-1

Tedy celková práce je plocha pod cestou 1-2-3-4-1.

Význam Carnotova cyklu

Efektivita tepelného motoru závisí na maximální a minimální teplotě cyklu:
Carnot uvádí, že efektivita tepelného motoru je nezávislá na typu tekutiny a závisí pouze na maximální a minimální teplotě během cyklu.

Tedy efektivita tepelného motoru je vyšší, když pracuje na nadhřátém páru.
Carnotův cyklus a Druhý zákon termodynamiky:

Carnotův cyklus jasně ukazuje, že teplo je absorbováno z vysokoteplotního zdroje, nazývaného zdroj, a teplo je odmítnuto do odpadu. Tento fakt se stává základem pro Druhý zákon termodynamiky. Ale pro přenos tepla v opačném směru je potřeba externí práce.

Obrácený Carnotův cyklus

Carnotův cyklus je reverzibilní cyklus a stává se Carnotovým cyklem chlazení, když je proces obrácen. Směr interakcí tepla a práce je úplně obrácen, takže
Tedy,

• Přijaté teplo z nízko-teplotního zdroje je Ql

• Odmítnuté teplo do vysoko-teplotního zdroje je Qh

• Vykonaná práce je Wnet-in

Obrácený Carnotův cyklus je stejný jako tradiční Carnotův cyklus, s výjimkou směru procesů.

Historie Carnotova cyklu

Carnotův cyklus byl pojmenován po „N. L. Sadi Carnotovi“, který ho vynalezl v roce 1824. Sadi Carnot je označován jako zakladatel termodynamiky pro objevení vztahu mezi teplem a prací. Carnot byl jedním z prvních, kdo si uvědomil, že teplo je v podstatě práce v jiné formě.