מחזור קרנו ומחזור קרנו הפוך

מחזור קרנו

המחזור קרנו הוא מחזור תרמודינמי המוכר כיעיל ביותר. המחזור קרנו משנה את האנרגיה הזמינה בצורת חום כדי לייצר תהליכים הפיכים-אדיבטיים (איזוטרופיים) ותהליכים אחרים.

יעילות מנוע קרנו היא אחת פחות מהיחס בין הטמפרטורה של מאגר החום לחם לטמפרטורה של מאגר החום הקר. המחזור קרנו ידוע כמגדיר את סטנדרט היעילות הגבוה ביותר שאפשר להשיג בתהליך או במנוע כלשהו.

העבודה מתבצעת על ידי הנוזל העובד במהלך החלק הראשון של המחזור ובחלק השני של המחזור העבודה מתבצעת על הנוזל העובד. ההבדל בין שניהם הוא העבודה הנטו שנעשית.

ניתן להגדיל את יעילות המחזור באמצעות שימוש בתהליכים שדורשים את כמות העבודה הקטנה ביותר ומספקים את הרב ביותר באמצעות תהליכים הפוכים. באופן מעשי, לא ניתן להשיג מחזורים הפוכים בשל אי-הפיכות קשורה לכל תהליך שלא ניתן לשלול.

מקררים ומנועי חום שמפעילים מחזורים הפוכים נחשבים כמודלים להשוואת מנועי חום ומקררים ריאליים. במהלך פיתוח המחזור האמיתי, המחזור הפוך משמש כנקודת מוצא ונערך כדי לעמוד בדרישות.

המחזור קרנו מורכב מארבעה תהליכים הפוכים (שני תהליכים איזותרמיים הפוכים ושני תהליכים אדיבטיים הפוכים) כמפורט:

המחזור קרנו מוצג להלן באמצעות דוגמה רלוונטית לפיסטון:
שלב 1 – 2
(הרחבת איזותרמית הפיכה, Th = קבוע)

TH היא הטמפרטורה ההתחלתית של הגז וגם הטמפרטורה של מאגר החום, במגע הדוק עם ראש צילינדר.

כאשר הגז מתפשט, הטמפרטורה שלו יורדת והטמפרטורה נשמרת קבועה על ידי העברת חום אינפיניטסימלי (dT) מהמאגר לגז.
כמות החום המועברת לתהליך לגז היא Qh

שלב 2 – 3
(הרחבת אדיבטית הפיכה טמפרטורה יורדת מ-TH ל-TL)

המערכת נעשית אדיבטית כאשר מאגר החום מוחלף על ידי מבודד. במהלך התהליך, טמפרטורת הגז יורדת מ-Th ל-Tl.

התהליך מכונה הפיך ואדיבטי (שימו לב כי תרמודינמיקה הנדסית יש לה הגדרה מסוימת למערכות והתהליכים).

שלב 3 – 4
(דחיסה איזותרמית הפיכה, Tl = קבוע)

בשלב 3, מאגר החום מוחלף במבודד בטמפרטורה Tl. כאשר כוח חיצוני דוחף את הפיסטון פנימה כדי לבצע עבודה על הגז, הטמפרטורה של הגז עולה.

אבל הטמפרטורה של הגז נשמרת קבועה על ידי הדחיית החום למאגר. כמות החום המושלכת במהלך התהליך היא Ql.
שלב 4 – 1
(דחיסה אדיבטית הפיכה טמפרטורה עולה מ-Tl ל-Th)

מאגר החום מוחלף במבודד והטמפרטורה של הגז עולה מ-Tl ל-Th במהלך תהליך הדחיסה.

עבודה נטו שנעשתה

העבודה שנעשתה על ידי הגז במהלך תהליך ההרחבת היא השטח מתחת לעקומה 1-2-3.
העבודה שנעשתה על הגז במהלך תהליך הדחיסה היא השטח מתחת לעקומה 3-4-1

לכן העבודה הנטו שנעשתה נתונה בשטח מתחת לעקומה 1-2-3-4-1.

חשיבותו של מחזור קרנו

יעילות מנוע חום תלויה בטמפרטורה המקסימלית והמינימלית של המחזור:
קרנו קובע שהיעילות של מנוע חום אינה תלויה בסוג הנוזל אלא רק בטמפרטורה המקסימלית והמינימלית במהלך המחזור.

לכן, היעילות של מנוע חום גבוהה יותר כאשר הוא עובד בטמפרטורת קיטור מגומגמת.
מחזור קרנו והחוק השני של התרמודינמיקה:

מחזור קרנו מדגים בבירור את העובדה שהחום נבלע מאגר חום בעל טמפרטורה גבוהה המכונה מאגר והחום נדחה למאגר. עובדה זו מהווה הבסיס לחוק השני של התרמודינמיקה. אבל נדרשת עבודה חיצונית כדי להזיז את החום בכיוון ההפוך.

מחזור קרנו הפוך

מחזור קרנו הוא מחזור הפיך, והוא נהיה למחזור קירור קרנו כאשר התהליך מתהפך. הכיוונים של החום והעבודה משתנים לחלוטין, לכן
לכן,

• החום שנבלע מאגר חום קר הוא Ql

• החום שנדחה למאגר חום חם הוא Qh

• העבודה שנעשתה היא Wnet-in

מחזור קרנו הפוך הוא אותו הדבר כמו מחזור קרנו הרגיל פרט לכיוון התהליכים.

היסטוריה של מחזור קרנו

מחזור קרנו נקרא על שם "N. L. Sadi Carnot" שמצאו בשנת 1824. סאדי קרנו מכונה מייסד התרמודינמיקה על גילוי הקשר בין חום ועבודה. קרנו היה אחד הראשונים להבין שהחום הוא למעשה עבודה בצורה אחרת.

Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.