Carnot-kierto ja käänteinen Carnot-kierto

Carnotin kiertoprosessi

Carnotin kiertoprosessi on termodynamiikkaa koskeva prosessi, joka tunnetaan parhaasta mahdollisesta tehokkuudesta. Carnotin kiertoprosessi muuttaa lämpömuodon energian käyttökelpoiseksi tuottamaan hyödyllistä palautuskykyistä adiaabattista (isotrooppista) ja muita prosesseja.

Carnotin moottorin tehokkuus on yksi miinus kuumin lämmönvarannon lämpötilan suhde kylmän lämmönvarannon lämpötilaan. Carnotin kiertoprosessi asettaa korkeimman tehokkuusbenchmarkin, jota mikään kiertoprosessi tai moottori ei voi ylittää.

Työtä tehdään työvälineelle kiertoprosessin ensimmäisen osan aikana ja työtä tehdään työvälineelle kiertoprosessin toisen osan aikana. Kummankin erotus on nettotyö.

Kiertoprosessin tehokkuutta voidaan maksimoida käyttämällä prosesseja, jotka vaativat vähiten työtä ja tuottavat eniten käyttämällä palautuskykyisiä prosesseja. Käytännössä palautuskykyisiä kiertoprosesseja ei voida saavuttaa, koska jokaisessa prosessissa on olemassa kääntymättömyys, jota ei voida poistaa.

Jäähdyttimet ja lämpömoottorit, jotka toimivat palautuskykyisillä kiertoprosesseilla, ovat malliesimerkkejä todellisten lämpömoottorien ja jäähdyttimien vertailua varten. Todellisen kiertoprosessin kehityksessä palautuskykyinen kiertoprosessi toimii lähtökohtana ja sitä muokataan vastaamaan vaatimuksia.

Carnotin kiertoprosessi koostuu neljästä palautuskykyisestä prosessista (2 kpl palautuskykyistä isoterminen ja 2 kpl palautuskykyistä adiaabattisia prosesseja) seuraavasti:

Carnotin kiertoprosessi havainnollistetaan alla pisteen esimerkin avulla:
VAIHE 1 – 2
(Palautuskykyinen isoterminen laajeneminen, Th = vakio)

TH on kaasun alkuperäinen lämpötila ja myös varaston lämpötila, joka on tiiviissä yhteydessä sylinterin päähän.

Kaasun lämpötila laskee, kun kaasu laajenee, ja sama pysyy vakiona siirtämällä äärettömän pieni määrä lämpöä (dT) varastosta kaasuun.
Kaasulle siirretty lämpömäärä prosessin aikana on Qh

VAIHE 2 – 3
(Palautuskykyinen adiaabattinen laajeneminen lämpötilan lasku T:stäH T:äänL)

Järjestelmä tulee adiaabattiseksi, kun lämpövarasto korvataan eristyksestä. Tässä prosessissa kaasun lämpötila laskee T:stäl T:äänh.

Tätä prosessia kutsutaan palautuskykyiseksi sekä adiaabattiseksi (huomaa, että insinööri-termodynamiikka määrittelee järjestelmille ja prosesseille tietyn määritelmän).

VAIHE 3 – 4
(Palautuskykyinen isoterminen pakkaaminen, Tl = vakio)

Vaiheessa 3, lämpövirtauspaikka korvasi sylinterin pään eristyksen lämpötilalla Tl. Kun ulkoinen voima painaa pistettä sisään tehdäkseen työtä kaasulle, kaasun lämpötila nousee.

Mutta kaasun lämpötila pidetään vakiona hylkäämällä lämpö virtauspaikkaan. Prosessin aikana hylätty lämpömäärä on Ql.
VAIHE 4 – 1
(Palautuskykyinen adiaabattinen pakkaaminen lämpötilan nousu T:stäl T:äänh)

Energian virtauspaikka korvataan eristyksestä ja kaasun lämpötila nousee T:stäl T:äänh pakkaamisprosessin aikana.

Nettotyö

Työ, joka tehdään kaasulla laajentumisprosessin aikana, on alue, joka annetaan käyrän 1-2-3 alle.
Työ, joka tehdään kaasulle pakkaamisprosessin aikana, on alue, joka annetaan käyrän 3-4-1 alle

Näin nettotyö annetaan käyrän 1-2-3-4-1 alle.

Carnotin kiertoprosessin merkitys

Lämpömoottorin tehokkuus riippuu kiertoprosessin suurimmasta ja pienimmästä lämpötilasta:
Carnot väitti, että lämpömoottorin tehokkuus on riippumaton nesteen tyypistä ja riippuu vain suurimmasta ja pienimmästä lämpötilasta kiertoprosessin aikana.

Näin ollen lämpömoottorin tehokkuus on korkeampi, kun se toimii ylikuumennetuilla höyrylämmöillä.
Carnotin kiertoprosessi ja termodynamiikan toinen lause:

Carnotin kiertoprosessi osoitti selvästi, että lämpö otetaan pois korkean lämpötilan lähteestä, jota kutsutaan varastoksi, ja lämpö heitetään pois virtauspaikkaan. Tämä tosiasia muodosti perustan termodynamiikan toiselle lauseelle. Mutta lämpön siirtämiseksi päinvastaiseen suuntaan tarvitaan ulkoinen työ.

Käänteinen Carnotin kiertoprosessi

Carnotin kiertoprosessi on palautuskykyinen kiertoprosessi, ja se tulee Carnotin jäähdytyskiertoprosessiksi, kun prosessi kääntyy. Lämpön ja työn vuorovaikutuksen suunnat kääntyvät täysin, joten
Näin ollen,

• Lämpö, joka otetaan pois matalan lämpötilan varastosta, on Ql

• Lämpö, joka heitetään pois korkean lämpötilan varastoon, on Qh

• Tehty työ on Wnet-in

Käänteinen Carnotin kiertoprosessi on sama kuin perinteinen Carnotin kiertoprosessi paitsi prosessien suunta.

Carnotin kiertoprosessin historia