چرخه کارنو و چرخه کارنو معکوس

دوره کارنو

دوره کارنو یک دوره ترمودینامیکی است که به عنوان کارآمدترین ممکن شناخته می‌شود. دوره کارنو انرژی موجود به صورت گرما را تغییر می‌دهد تا فرآیندهای قابل برگشت-آدیاباتی (ایزوتروپیک) و دیگر فرآیندهای مفید را ایجاد کند.

کارآیی موتور کارنو یک منهای نسبت دمای منبع گرم به دمای منبع سرد است. دوره کارنو به خاطر تعیین بالاترین معیار کارآیی که هر دوره یا موتور می‌تواند به دست آورد شناخته شده است.

در بخش اول دوره، کار توسط مایع کاری انجام می‌شود و در بخش دوم دوره، کار روی مایع کاری انجام می‌شود. تفاوت بین این دو کار نتیجه کار خالص است.

کارآیی دوره با استفاده از فرآیندهایی که کمترین مقدار کار را می‌طلبد و بیشترین مقدار کار را ارائه می‌دهند با استفاده از فرآیندهای قابل برگشت به حداکثر می‌رسد. در عمل، دوره‌های قابل برگشت به دلیل عدم قابلیت برگشت پذیری مرتبط با هر فرآیند که نمی‌تواند حذف شود، قابل دستیابی نیستند.

یخچال‌ها و موتورهای گرمایی که بر اساس دوره‌های قابل برگشت کار می‌کنند به عنوان مدل‌هایی برای مقایسه موتورهای گرمایی و یخچال‌های واقعی در نظر گرفته می‌شوند. در توسعه دوره واقعی، دوره قابل برگشت به عنوان نقطه شروع استفاده می‌شود و برای برآوردن نیازها اصلاح می‌شود.

دوره کارنو از چهار فرآیند قابل برگشت (۲ فرآیند قابل برگشت-ایزوتروپیک و ۲ فرآیند قابل برگشت-آدیاباتیک) تشکیل شده است:

دوره کارنو در زیر با استفاده از مثال مربوط به پیستون نشان داده شده است:
مرحله ۱ – ۲
(گسترش ایزوتروپیک قابل برگشت، Th = ثابت)

TH دمای اولیه گاز و همچنین دمای منبع است که با سر پیستون در تماس نزدیک است.

وقتی گاز گسترش می‌یابد، دمای گاز کاهش می‌یابد و این دما با انتقال گرما بی‌نهایت کوچک (dT) از منبع به گاز ثابت نگه داشته می‌شود.
مقدار گرما منتقل شده در طول فرآیند به گاز Qh است.

مرحله ۲ – ۳
(گسترش آدیاباتیک قابل برگشت دمای کاهش از TH به TL)

سیستم وقتی که منبع گرما با عایق جایگزین می‌شود آدیاباتیک می‌شود. در طول این فرآیند، دمای گاز از Tl به Th کاهش می‌یابد.

این فرآیند قابل برگشت و آدیاباتیک نامیده می‌شود (توجه داشته باشید که مهندسی ترمودینامیک تعریف خاصی برای سیستم‌ها و فرآیندها دارد).

مرحله ۳ – ۴
(فشرده‌سازی ایزوتروپیک قابل برگشت، Tl = ثابت)

در مرحله ۳، عایق سر پیستون با منبع گرمایی با دمای Tl جایگزین شده است. وقتی یک نیروی خارجی پیستون را به داخل می‌برد تا کاری روی گاز انجام دهد، دمای گاز افزایش می‌یابد.

اما دمای گاز با رد کردن گرما به منبع گرمایی ثابت نگه داشته می‌شود. مقدار گرما رد شده در طول فرآیند Ql است.
مرحله ۴ – ۱
(فشرده‌سازی آدیاباتیک قابل برگشت دمای افزایش از Tl به Th)

منبع گرمایی با عایق جایگزین شده و دمای گاز در طول فرآیند فشرده‌سازی از Tl به Th افزایش می‌یابد.

کار خالص انجام شده

کار انجام شده توسط گاز در طول فرآیند گسترش مساحت زیر منحنی ۱-۲-۳ است.
کار انجام شده روی گاز در طول فرآیند فشرده‌سازی مساحت زیر منحنی ۳-۴-۱ است

بنابراین کار خالص انجام شده مساحت زیر مسیر ۱-۲-۳-۴-۱ است.

اهمیت دوره کارنو

کارآیی موتور گرمایی به دمای حداکثر و حداقل دوره بستگی دارد:
کارنو بیان می‌کند که کارآیی موتور گرمایی مستقل از نوع مایع و فقط به دمای حداکثر و حداقل در طول دوره بستگی دارد.

بنابراین کارآیی موتور گرمایی زمانی که در دمای بخار اشباع شده عمل می‌کند بیشتر است.
دوره کارنو و قانون دوم ترمودینامیک:

دوره کارنو به وضوح نشان می‌دهد که گرما از منبع دمای بالا به نام منبع گرم جذب می‌شود و گرما به منبع گرمایی رد می‌شود. این واقعیت بنیان قانون دوم ترمودینامیک است. اما برای حرکت گرما در جهت معکوس کار خارجی لازم است.

دوره کارنو معکوس

دوره کارنو یک دوره قابل برگشت است و وقتی فرآیند معکوس می‌شود، دوره تبرید کارنو می‌شود. جهت تعاملات گرما و کار کاملاً معکوس می‌شود، بنابراین
بنابراین،

• گرما جذب شده از منبع دمای پایین Ql است

• گرما رد شده به منبع دمای بالا Qh است

• کار انجام شده Wnet-in است

دوره کارنو معکوس مشابه