Il ciclo di Carnot è un ciclo termodinamico noto per la sua massima efficienza possibile. Il ciclo di Carnot trasforma l'energia disponibile sotto forma di calore in lavoro utilizzando processi reversibili adiabatici (isentropici) e altri processi.
L'efficienza del motore di Carnot è uno meno il rapporto tra la temperatura del serbatoio termico caldo e quella del serbatoio freddo. Il ciclo di Carnot è noto per stabilire la panchina di riferimento più alta che qualsiasi ciclo o motore possa raggiungere.
Il lavoro viene eseguito dal fluido operativo durante la prima parte del ciclo e viene eseguito sul fluido operativo durante la seconda parte del ciclo. La differenza tra i due è il lavoro netto compiuto.
L'efficienza del ciclo può essere massimizzata utilizzando processi che richiedono la quantità minima di lavoro e forniscono il massimo utilizzando processi reversibili. Nella pratica, i cicli reversibili non possono essere realizzati a causa dell'irreversibilità associata a ogni processo, che non può essere eliminata.
I frigoriferi e i motori termici che funzionano su cicli reversibili sono considerati modelli per confrontare i motori termici e i frigoriferi reali. Nello sviluppo del ciclo reale, il ciclo reversibile serve come punto di partenza e viene modificato per soddisfare i requisiti.
Il ciclo di Carnot è composto da quattro processi reversibili (2 isoterici reversibili e 2 adiabatici reversibili) come segue:
Il ciclo di Carnot è dimostrato di seguito attraverso l'esempio pertinente del pistone:
FASI 1 – 2
(Espansione isoterica reversibile, Th = Costante)
TH è la temperatura iniziale del gas e anche la temperatura del serbatoio, è in contatto stretto con la testa del cilindro.
La temperatura del gas diminuisce quando il gas si espande e la stessa viene mantenuta costante trasferendo un calore infinitesimo (dT) dal serbatoio al gas.
La quantità di calore trasferita durante il processo al gas è Qh
FASI 2 – 3
(Espansione adiabatica reversibile, temperatura che diminuisce da TH a TL)
Il sistema diventa adiabatico quando il serbatoio di calore viene sostituito da isolamento. Durante questo processo, la temperatura del gas diminuisce da Tl a Th.
Questo processo è chiamato reversibile e anche adiabatico (nota che termodinamica applicata ha una definizione specifica per sistemi e processi).
FASI 3 – 4
(Compressione isoterica reversibile, Tl = costante)
Allo stadio 3, il dissipatore di calore sostituisce l'isolamento della testa del cilindro alla temperatura Tl. Quando una forza esterna spinge il pistone verso l'interno facendo lavoro sul gas, la temperatura del gas aumenta.
Ma la temperatura del gas viene mantenuta costante respingendo il calore al dissipatore. La quantità di calore respinto durante il processo è Ql.
FASI 4 – 1
(Compressione adiabatica reversibile, temperatura che aumenta da Tl a Th)
Il dissipatore di calore viene sostituito con isolamento e la temperatura del gas aumenta da Tl a Th durante il processo di compressione.
Il lavoro compiuto dal gas durante il processo di espansione è l'area sotto la curva 1-2-3.
Il lavoro compiuto sul gas durante il processo di compressione è l'area sotto la curva 3-4-1
Pertanto, il lavoro netto compiuto è dato dall'area sotto il percorso 1-2-3-4-1.
L'efficienza del motore termico dipende dalla temperatura massima e minima del ciclo:
Carnot afferma che l'efficienza del motore termico è indipendente dal tipo di fluido e dipende solo dalle temperature massime e minime durante il ciclo.
