چرخه کارنو و چرخه کارنو معکوس

سیکل کارنوت

سیکل کارنوت یک چرخه ترمودینامیکی است که به دلیل بهترین کارایی ممکن شناخته می‌شود. سیکل کارنوت انرژی موجود در قالب حرارت را تغییر می‌دهد تا فرآیندهای مفید و قابل برگشت (آدیاباتیک) و فرآیندهای دیگر را ایجاد کند.

کارایی موتور کارنوت یک منهای نسبت دماهای منبع حرارتی گرم به منبع حرارتی سرد است. سیکل کارنوت به دلیل تعیین بالاترین معیار کارایی که هر چرخه یا موتور می‌تواند به دست آورد، شناخته شده است.

در بخش اول چرخه کار توسط مایع کار انجام می‌شود و در بخش دوم چرخه کار روی مایع کار انجام می‌شود. تفاوت بین این دو کار صاف انجام شده است.

کارایی چرخه با استفاده از فرآیندهایی که کمترین مقدار کار را می‌طلبد و بیشترین مقدار کار را ارائه می‌دهند، با استفاده از فرآیندهای قابل برگشت، حداکثر می‌شود. عملیاتاً، چرخه‌های قابل برگشت به دلیل عدم قابلیت برگشتی هر فرآیند که نمی‌تواند حذف شود، نمی‌توانند به دست آیند.

یخچال‌ها و موتورهای حرارتی که بر اساس چرخه‌های قابل برگشت کار می‌کنند به عنوان الگوها برای مقایسه موتورهای حرارتی و یخچال‌های واقعی در نظر گرفته می‌شوند. در توسعه چرخه واقعی، چرخه قابل برگشت به عنوان نقطه شروع در نظر گرفته می‌شود و برای تأمین نیازها تغییر می‌کند.

سیکل کارنوت شامل چهار فرآیند قابل برگشت (۲ فرآیند قابل برگشت-ایزوتروپیک و ۲ فرآیند قابل برگشت-آدیاباتیک) به شرح زیر است:

سیکل کارنوت در ذیل 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، با سر سیلندر در تماس نزدیک است.

هنگامی که گاز گسترش می‌یابد، دمای گاز کاهش می‌یابد و این مقدار با انتقال حرارت بی‌نهایت (dT) از منبع به گاز ثابت می‌ماند.
مقدار حرارت منتقل شده در طول فرآیند به گاز Qh است.

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

سیستم وقتی که منبع حرارتی 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 سیلندر با سینک گرما با دمای Tl جایگزین می‌شود. 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 حرارت به سینک ثابت می‌ماند. مقدار حرارت رد شده در طول فرآیند Ql است.
مرحله ۴ – ۱
(فشرده‌سازی آدیاباتیک قابل برگشت، افزایش دما از Tl به Th)

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

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

اهمیت سیکل کارنوت

کارایی موتور گرمایی به دماهای ماکزیمم و مینیمم چرخه بستگی دارد:
کارنوت بیان می‌کند که کارایی موتور گرمایی مستقل از نوع مایع و فقط به دماهای ماکزیمم و مینیمم در طول چرخه بستگی دارد.

بنابراین کارایی موتور گرمایی زمانی که در دمای بخار اشباع شده عمل می‌کند، بیشتر است.
سیکل کارنوت و قانون دوم ترمودینامیک:

سیکل کارنوت به وضوح نشان می‌دهد که حرارت از منبع دمای بالا به نام منبع گرم جذب می‌شود و حرارت به سینک رد می‌شود. این واقعیت پایه قانون دوم ترمودینامیک است. اما برای حرکت حرارت در جهت معکوس کار خارجی لازم است.

سیکل کارنوت معکوس

سیکل کارنوت یک چرخه قابل برگشت است و وقتی فرآیند معکوس می‌شود، سیکل یخچالی کارنوت می‌شود. جهت تعاملات حرارتی و کاری کاملاً معکوس می‌شود، بنابراین
بنابراین،

• حرارت جذب شده از منبع دمای پایین Ql است

• حرارت رد شده به منبع دمای بالا Qh است

• کار انجام شده Wnet-in است

سیکل کارنوت معکوس ه