Κύκλος Carnot και Αντίστροφος Κύκλος Carnot

Κύκλος Carnot

Ο κύκλος Carnot είναι ένας θερμοδυναμικός κύκλος που θεωρείται για την καλύτερη δυνατή απόδοση. Ο κύκλος Carnot μετατρέπει την ενέργεια που είναι διαθέσιμη υπό τη μορφή θερμότητας για να παράγει χρήσιμες αναστρέψιμες-αδιάβατες (ισότροπες) και άλλες διαδικασίες.

Η απόδοση του κινητήρα Carnot είναι η μονάδα μείον της αναλογίας της θερμοκρασίας του θερμού θερμακτήριου προς τη θερμοκρασία του κρύου θερμακτήριου. Ο κύκλος Carnot είναι γνωστός για το ότι ορίζει τον υψηλότερο βασικό όρο απόδοσης που μπορεί να επιτευχθεί από οποιοδήποτε κύκλο ή κινητήρα.

Το έργο εκτελείται από το εργαστικό υγρό κατά το πρώτο μέρος του κύκλου και το έργο εκτελείται στο εργαστικό υγρό κατά το δεύτερο μέρος του κύκλου. Η διαφορά μεταξύ των δύο είναι το συνολικό έργο που εκτελείται.

Η απόδοση του κύκλου μπορεί να βελτιωθεί με την αξιοποίηση διαδικασιών που απαιτούν το λιγότερο δυνατό έργο και παρέχουν το περισσότερο μέσω αναστρέψιμων διαδικασιών. Στην πράξη, οι αναστρέψιμοι κύκλοι δεν μπορούν να επιτευχθούν λόγω της αναστροφής που συνδέεται με κάθε διαδικασία, η οποία δεν μπορεί να εξαλειφθεί.

Οι ψυγεία και οι θερμοκινητήρες που λειτουργούν με αναστρέψιμους κύκλους θεωρούνται ως μοντέλα για τη σύγκριση των πραγματικών θερμοκινητήρων και ψυγείων. Κατά την ανάπτυξη του πραγματικού κύκλου, ο αναστρέψιμος κύκλος χρησιμοποιείται ως αρχικό σημείο και τροποποιείται προκειμένου να εκπληρωθούν οι απαιτήσεις.

Ο κύκλος Carnot αποτελείται από τέσσερις αναστρέψιμες διαδικασίες (2 αναστρέψιμες-ισόθερμες και 2 αναστρέψιμες-αδιάβατες διαδικασίες) όπως εξήγηση:

Ο κύκλος Carnot δείχνεται παρακάτω μέσω του σχετικού παραδείγματος του πίστονα:
ΒΗΜΑ 1 – 2
(Αναστρέψιμη ισόθερμη διεύρυνση, Th = σταθερή)

Η TH είναι η αρχική θερμοκρασία του αερίου και επίσης η θερμοκρασία του αποθέματος, είναι σε κοντινή επαφή με την κεφαλή του κυλίνδρου.

Η θερμοκρασία του αερίου μειώνεται όταν το αέριο επεκτείνεται και το ίδιο διατηρείται σταθερό με τη μεταφορά απειροελάχιστης θερμότητας (dT) από το απόθεμα στο αέριο.
Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στο αέριο είναι Qh

ΒΗΜΑ 2 – 3
(Αναστρέψιμη αδιάβατη διεύρυνση με μείωση της θερμοκρασίας από TH σε TL)

Το σύστημα γίνεται αδιάβατο όταν το θερμακτήριο αντικατασταθεί από απομόνωση. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η θερμοκρασία του αερίου μειώνεται από Tl σε Th.

Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αναστρέψιμη και αδιάβατη (σημειώστε ότι μηχανική θερμοδυναμική έχει συγκεκριμένη οριοθέτηση για συστήματα και διαδικασίες).

ΒΗΜΑ 3 – 4
(Αναστρέψιμη ισόθερμη συμπίεση, Tl = σταθερή)

Στο στάδιο-3, το αποθέμα θερμότητας αντικαταστήθηκε από την απομόνωση της κεφαλής του κυλίνδρου σε θερμοκρασία Tl. Όταν μια εξωτερική δύναμη πιέζει τον πίστονα προς τα μέσα για να εκτελέσει έργο στο αέριο, τότε η θερμοκρασία του αερίου αυξάνεται.

Αλλά η θερμοκρασία του αερίου διατηρείται σταθερή με την απόρριψη θερμότητας στο αποθέμα. Η ποσότητα θερμότητας που απορρίφθηκε κατά τη διάρκεια της διαδικασίας είναι Ql.
ΒΗΜΑ 4 – 1
(Αναστρέψιμη αδιάβατη συμπίεση με αύξηση της θερμοκρασίας από Tl σε Th)

Το αποθέμα ενέργειας αντικαταστάται με απομόνωση και η θερμοκρασία του αερίου αυξάνεται από Tl σε Th κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συμπίεσης.

Συνολικό Έργο

Το έργο που εκτελείται από το αέριο κατά τη διάρκεια της διεύρυνσης είναι η επιφάνεια που δίνεται κάτω από την καμπύλη 1-2-3.
Το έργο που εκτελείται στο αέριο κατά τη διάρκεια της συμπίεσης είναι η επιφάνεια που δίνεται κάτω από την καμπύλη 3-4-1

Επομένως, το συνολικό έργο εκτελείται από την επιφάνεια κάτω από τη διαδρομή 1-2-3-4-1.

Ιστορία του Κύκλου Carnot

Η απόδοση του θερμοκινητήρα εξαρτάται από την μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία του κύκλου:
Ο Carnot αναφέρει ότι η απόδοση του θερμοκινητήρα είναι ανεξάρτητη από το είδος τ