Carnot-Zyklus und umgekehrter Carnot-Zyklus
Carnot-Zyklus
Der Carnot-Zyklus ist ein thermodynamischer Zyklus, der für die bestmögliche Effizienz bekannt ist. Der Carnot-Zyklus wandelt die in Form von Wärme verfügbare Energie in nützliche, reversible-adiabatische (isotrope) und andere Prozesse um.
Die Effizienz des Carnot-Motors beträgt eins minus das Verhältnis der Temperatur des heißen Wärmespeichers zur Temperatur des kalten Wärmespeichers. Der Carnot-Zyklus ist dafür bekannt, den höchstmöglichen Effizienzstandard zu setzen, den jeder Zyklus oder Motor erreichen kann.
Während des ersten Teils des Zykels wird Arbeit durch das Arbeitsmedium geleistet, während im zweiten Teil des Zykels Arbeit am Arbeitsmedium verrichtet wird. Der Unterschied zwischen beiden ist die netto geleistete Arbeit.
Die Zykluseffizienz kann maximiert werden, indem Prozesse genutzt werden, die die geringste Menge an Arbeit erfordern und die meisten Leistungen durch die Verwendung reversibler Prozesse liefern. Praktisch können reversibel Zyklen nicht erreicht werden, da mit jedem Prozess verbundene Irreversibilitäten nicht beseitigt werden können.
Kühlschränke und Wärmekraftmaschinen, die auf reversiblen Zyklen arbeiten, gelten als Modelle zum Vergleich mit tatsächlichen Wärmekraftmaschinen und Kühlschränken. Bei der Entwicklung des tatsächlichen Zykels dient der reversible Zyklus als Ausgangspunkt und wird geändert, um den Anforderungen gerecht zu werden.
Der Carnot-Zyklus besteht aus vier reversiblen Prozessen (2 isotherme und 2 adiabatische Prozesse) und lautet wie folgt:
Der Carnot-Zyklus wird unten durch das relevante Beispiel des Kolbens demonstriert:
SCHRITT 1 – 2
(Reversibler isothermer Expansion, Th = konstant)
TH ist die Anfangstemperatur des Gases und auch die Temperatur des Reservoirs, das eng mit dem Zylinderkopf in Kontakt steht.
Die Temperatur des Gases sinkt, wenn es expandiert, und bleibt durch den Transfer infinitesimaler Wärme (dT) vom Reservoir zum Gas konstant. Die während des Prozesses an das Gas übertragene Wärmemenge ist Qh.
SCHRITT 2 – 3
(Reversibler adiabatischer Expansion, Temperaturabfall von TH zu TL)
Das System wird adiabatisch, wenn das Wärmeerzeugnis durch Dämmung ersetzt wird. Während dieses Prozesses fällt die Gastemperatur von Tl auf Th.
Dieser Prozess wird als reversibel und adiabatisch bezeichnet (beachten Sie, dass Ingenieur-Thermodynamik eine spezifische Definition für Systeme und Prozesse hat).
SCHRITT 3 – 4
(Reversibler isothermer Kompression, Tl = konstant)
Im Stadium 3 wird die Zylinderkopfdämmung durch einen Wärmeabsorber bei der Temperatur Tl ersetzt. Wenn eine äußere Kraft den Kolben nach innen drückt, um Arbeit am Gas zu leisten, steigt die Gastemperatur.
Doch die Gastemperatur wird durch Ableitung von Wärme zum Absorber konstant gehalten. Die während des Prozesses abgegebene Wärmemenge ist Ql.
SCHRITT 4 – 1
(Reversibler adiabatischer Kompression, Temperaturanstieg von Tl zu Th)
Der Energiesink wird durch Dämmung ersetzt, und die Gastemperatur steigt während des Kompressionsprozesses von Tl auf Th.
Netto geleistete Arbeit
Die während des Expansionsprozesses vom Gas geleistete Arbeit ist der Bereich unter der Kurve 1-2-3.
Die während des Kompressionsprozesses am Gas geleistete Arbeit ist der Bereich unter der Kurve 3-4-1
Die netto geleistete Arbeit ist also der Bereich unter dem Pfad 1-2-3-4-1.
Bedeutung des Carnot-Zyklus
Die Effizienz der Wärmekraftmaschine hängt von der maximalen und minimalen Temperatur des Zykels ab:
Carnot besagt, dass die Effizienz der Wärmekraftmaschine unabhängig vom Flüssigkeits
