Carnot-cyklus og omvendt Carnot-cyklus

Carnot-cyklus

Den Carnot-cyklus er en termodynamisk cyklus, der er kendt for den bedst mulige effektivitet. Carnot-cyklussen omdanner den tilgængelige energi i form af varme til at producere nyttige reversible-adiabatiske (isotrope) og andre processer.

Effektiviteten af Carnot-motor er én minus forholdet mellem temperaturen i den varme varmekilde til temperaturen i den kolde varmekilde. Carnot-cyklussen er kendt for at sætte den højeste effektivitetsbenchmark, som enhver cyklus eller motor kan opnå.

Arbejde udføres af arbejdsgassen i den første del af cyklussen, og arbejde udføres på arbejdsgassen i den anden del af cyklussen. Forskellen mellem de to er det netto udførte arbejde.

Cykluseffektiviteten kan maksimaliseres ved at bruge processer, der kræver mindst muligt arbejde og leverer mest ved at benytte reversible processer. Praktisk set kan reversible cykluser ikke opnås på grund af irreversibilitet forbundet med hver proces, som ikke kan elimineres.

Køleapparater og varmemaskiner, der arbejder med reversible cykluser, betragtes som modeller for at sammenligne de faktiske varmemaskiner og køleapparater. I udviklingen af den faktiske cyklus fungerer den reversible cyklus som et startpunkt og modificeres for at møde kravene.

Den Carnot-cyklus består af fire reversible processer (2 reversible-isotermiske og 2 reversible-adiabatiske processer) som følger:

Carnot-cyklussen demonstreres nedenfor gennem det relevante eksempel med pistonen:
TRIN 1 – 2
(Reversibel isotermisk ekspansion, Th = Konstant)

TH er den oprindelige temperatur af gassen og også temperaturen i reservoaret, som er i tæt kontakt med cylinderhovedet.

Temperaturen i gassen falder, når gassen ekspanderer, og denne holdes konstant ved at overføre infinitesimal-varme (dT) fra reservoaret til gassen.
Mængden af overført varme under processen til gassen er Qh

TRIN 2 – 3
(Reversibel adiabatisk ekspansion, temperaturen falder fra TH til TL)

Systemet bliver adiabatisk, når varmeskildet erstattes af isolering. Under denne proces falder gassens temperatur fra Th til Tl.

Denne proces kaldes reversibel samt adiabatisk (bemærk, at ingeniørtermodynamik har en specifik definition for systemer og processer).

TRIN 3 – 4
(Reversibel isotermisk kompression, Tl = konstant)

På trin 3 erstatter varmesinken isolationen i cylinderhovedet ved temperaturen Tl. Når en ekstern kraft skubber pisten indad for at udføre arbejde på gassen, stiger gassens temperatur.

Men gassens temperatur holdes konstant ved at afvise varme til sinken. Mængden af afvist varme under processen er Ql.
TRIN 4 – 1
(Reversibel adiabatisk kompression, temperaturen stiger fra Tl til Th)

Varmesinken erstattes med isolation, og gassens temperatur stiger fra Tl til Th under kompressionsprocessen.

Netto udført arbejde

Arbejdet udført af gassen under ekspansionsprocessen er arealet under kurven 1-2-3.
Arbejdet udført på gassen under kompressionsprocessen er arealet under kurven 3-4-1

Dermed er det netto udførte arbejde givet af arealet under stien 1-2-3-4-1.

Betydningen af Carnot-cyklussen

Effektiviteten af varmemotorer afhænger af cyklussens maksimale og minimale temperatur:
Carnot fastslår, at effektiviteten af varmemotoren er uafhængig af typen af væske og kun afhænger af den maksimale og minimale temperatur under cyklussen.

Dermed er effektiviteten af varmemotoren højere, når den fungerer ved superoppvarmet damp.
Carnot-cyklus og anden lov i termodynamik:

Carnot-cyklussen demonstrerede klart, at varme absorberes fra en højttempereret kilde kaldet reservoar, og varmen afvises til en sink. Dette blev grundlaget for anden lov i termodynamik. Men eksternt arbejde er nødvendigt for at flytte varme i modsat retning.

Omvendt Carnot-cyklus

Carnot-cyklus er en reversibel cyklus, og den bliver til Carnot-kølingcyklus, når processen vendes om. Retningen af varme- og arbejdsinteraktioner vendes totalt om, således
Derfor,

• Absorberet varme fra lavtempereret reservoar er Ql

• Afvist varme til højttempereret reservoar er Qh

• Udført arbejde er Wnet-ind

Omvendt Carnot-cyklus er den samme som den konventionelle Carnot-cyklus, bortset fra retningen af processerne.

Historie af Carnot-cyklussen

Carnot-cyklussen er opkaldt efter "N. L. Sadi Carnot", der opfandt den i 1824. Sadi Carnot er kendt som grundlæggeren af termodynamik for at have opdaget forholdet mellem varme og arbejde. Carnot var en af de første, der indså, at varme i virkeligheden er arbejde i en anden form.

Erklæring: Respektér originaliteten, godt indhold fortjener at deles, hvis der sker krænkelse kontakt os for sletning.