A Carnot-ciklus egy termodinamikai ciklus, amely a lehető legjobb hatékonyságot biztosítja. A Carnot-ciklus az elérhető hőenergiát használ fel, hogy hasznos, visszafordítható adiabatikus (izoterm) és más folyamatokat hozzon létre.
A Carnot-motor hatékonysága egy mínusz a forró hőforrás hőmérsékletének és a hideg hőforrás hőmérsékletének arány. A Carnot-ciklus a legmagasabb hatékonysági szintet állapít meg, amit bármely ciklus vagy motor elérhet.
A munka a munkavégző folyadék által a ciklus első részén, és a munka a munkavégző folyadékra a ciklus második részén történik. A kettő közötti különbség a nettó munka.
A ciklus hatékonyságát maximalizálhatjuk olyan folyamatok használatával, amelyek a legkevesebb munkát igényelnek, és a legtöbbet adnak vissza, visszafordítható folyamatok használatával. Gyakorlatilag, a visszafordítható ciklusok nem érhetők el, mert minden folyamat irreversibilitása miatt, ami nem szüntethető meg.
A visszafordítható ciklusokon működő hűtőgépek és hőmotorok modelljei, amelyekkel össze lehet hasonlítani a valós hőmotorokat és hűtőgépeket. A valós ciklus fejlesztése során a visszafordítható ciklus a kiindulópont, és ezt módosítják, hogy megfeleljen a követelményeknek.
A Carnot-ciklus négy visszafordítható folyamatból (2 db visszafordítható izoterm és 2 db visszafordítható adiabatikus folyamat) áll:
A Carnot-ciklus a következő példával illusztrálható, a piston esetében:
LÉPÉS 1 – 2
(Visszafordítható izoterm bővülés, Th = állandó)
TH a gáz kezdeti hőmérséklete, és a hőforrás hőmérséklete is, amely intenzív kapcsolatban áll a hengerfejjel.
Amikor a gáz bővül, a hőmérséklete csökken, és a hőforrásból átadott végtelen kis mennyiségű hő (dT) segítségével konstans marad.
A folyamat során a gázba átadott hőmennyiség Qh.
LÉPÉS 2 – 3
(Visszafordítható adiabatikus bővülés, a hőmérséklet TH-ről TL-re)
A rendszer adiabatikussá válik, amikor a hőforrást izoláció helyettesíti. Ez a folyamat során a gáz hőmérséklete Tl-re csökken Th-ről.
Ez a folyamat visszafordítható és adiabatikus (figyelembe véve, hogy az mérnöki termodinamika specifikus definíciót ad a rendszereknek és folyamatoknak).
LÉPÉS 3 – 4
(Visszafordítható izoterm tömörítés, Tl = állandó)
A 3. szakaszban a hőforrást a hengerfej izolációja helyettesíti Tl hőmérsékleten. Amikor külső erő a pistonra hat, és a gázra munkát végez, akkor a gáz hőmérséklete növekszik.
De a gáz hőmérséklete konstans marad, mivel a hő a hőforráshoz kerül. A folyamat során a hőforráshoz átadott hőmennyiség Ql.
LÉPÉS 4 – 1
(Visszafordítható adiabatikus tömörítés, a hőmérséklet Tl-ről Th-re növekszik)
Az energiaforrást izoláció helyettesíti, és a gáz hőmérséklete Tl-ről Th-re növekszik a tömörítés során.
A gáz által a bővülési folyamat során végzett munka a 1-2-3 görbe alatti terület.
A gázra a tömörítési folyamat során végzett munka a 3-4-1 görbe alatti terület.
Így a nettó munka a 1-2-3-4-1 útvonal alatti terület.
A hőmotor hatékonysága függ a ciklus maximum- és minimum-hőmérsékletétől:
A Carnot szerint a hőmotor hatékonysága független a folyadék típusától, és csak a ciklus során fellépő maximális és minimális hőmérsékletektől függ.
Tehát a hőmotor hatékonysága magasabb, ha túlhőtett párral működik.
A Carnot-ciklus és a termodinamika második törvénye:
A Carnot-ciklus világossá teszi, hogy a hő a magas hőmérsékletű forrásból, a hőforrásból kerül be, és a hőforráshoz kerül. Ez a tény a termodinamika második törvényének alapja. De a hő fordított irányba való mozgatásához külső munka szükséges.
A Carnot-ciklus egy visszafordítható ciklus, és ha a folyamatot megfordítjuk, akkor hűtőgépi ciklus lesz. A hő- és munkainterakciók iránya teljesen megváltozik, tehát
Tehát,
A hőforrásból, ahol a hőmérséklet alacsony, a Ql hőmennyiség kerül be.
A hőforrásból, ahol a hőmérséklet magas, a Qh hőmennyiség kerül ki.
A Wnet-in munka végzésére szükséges.
A megfordított Carnot-ciklus ugyanaz, mint a hagyományos Carnot-ciklus, kivéve a folyamatok irányát.
