카르노 순환과 역카르노 순환

카르노 주기

카르노 주기는 가능한 최고의 효율성을 가진 열역학적 주기입니다. 카르노 주기는 열 형태로 이용 가능한 에너지를 유용한 가역-절열(등방성) 및 기타 과정으로 변환합니다.

카르노 엔진의 효율은 뜨거운 열 저수지의 온도와 차가운 저수지의 온도의 비율을 1에서 뺀 값입니다. 카르노 주기는 어떤 주기나 엔진이 달성할 수 있는 최고의 효율성을 설정합니다.

주기의 첫 번째 부분에서는 작업 유체가 일하고, 두 번째 부분에서는 작업 유체에 일합니다. 이 두 가지의 차이가 순 일량입니다.

주기의 효율성을 극대화하기 위해서는 가장 적은 양의 일을 필요로 하고, 가역 과정을 사용하여 가장 많은 것을 제공하는 과정을 활용해야 합니다. 실제로, 각 과정과 관련된 불가역성 때문에 가역적인 주기를 달성할 수 없습니다.

가역적인 주기로 작동하는 냉장고와 열 엔진은 실제 열 엔진과 냉장고를 비교하는 모델로 간주됩니다. 실제 주기의 개발 과정에서 가역적인 주기는 출발점으로서 요구사항을 충족하도록 수정됩니다.

카르노 주기는 다음과 같은 네 가지 가역적인 과정(2개의 가역-등온 과정과 2개의 가역-절열 과정)으로 구성됩니다:

카르노 주기는 다음의 피스톤 예제를 통해 설명됩니다:
단계 1 – 2
(가역 등온 팽창, Th = 상수)

TH는 가스의 초기 온도이며, 또한 실린더 헤드와 밀접하게 접촉하는 저수지의 온도입니다.

가스가 팽창하면 온도가 떨어지고, 이를 저수지로부터 가스로 무한소 열(dT)을 전달하여 일정하게 유지합니다.
이 과정 동안 가스에 전달되는 열의 양은 Qh입니다.

단계 2 – 3
(가역 절열 팽창, 온도 TH에서 TL로 감소)

열 저수지가 단열재로 교체되면 시스템은 절열 상태가 됩니다. 이 과정 동안 가스의 온도는 Tl로 Th에서 떨어집니다.

이 과정은 가역적이며 절열적이며 (참고로 공학 열역학에서 시스템과 과정에 대한 특정 정의가 있습니다).

단계 3 – 4
(가역 등온 압축, Tl = 상수)

단계 3에서, 실린더 헤드 단열재가 온도 Tl의 열 싱크로 교체됩니다. 외부 힘이 피스톤을 내부로 밀어 가스에 일할 때, 가스의 온도가 상승합니다.

하지만 가스의 온도는 열을 싱크로 배출함으로써 일정하게 유지됩니다. 이 과정 동안 배출되는 열의 양은 Ql입니다.
단계 4 – 1
(가역 절열 압축, 온도 Tl에서 Th로 증가)

에너지 싱크가 단열재로 교체되고, 압축 과정 동안 가스의 온도는 Tl에서 Th로 증가합니다.

순 일량

팽창 과정 중 가스가 수행하는 일은 곡선 1-2-3 아래의 면적입니다.
압축 과정 중 가스에 수행되는 일은 곡선 3-4-1 아래의 면적입니다.

따라서 순 일량은 경로 1-2-3-4-1 아래의 면적입니다.

카르노 주기의 중요성

열 엔진의 효율성은 주기의 최대 및 최소 온도에 의존합니다:
카르노는 열 엔진의 효율성이 유체의 종류와 무관하며, 주기 동안의 최대 및 최소 온도에만 의존한다고 주장했습니다.

따라서 열 엔진은 과열 증기 온도에서 작동할 때 더 높은 효율성을 가집니다.
카르노 주기와 열역학 제2법칙:

카르노 주기는 열이 고온 저수지인 저수지에서 흡수되고, 열이 저온 저수지인 싱크로 배출된다는 사실을 명확히 보여줍니다. 이 사실은 열역학 제2법칙의 기초가 되었습니다. 그러나 열을 역방향으로 이동시키려면 외부 일이 필요합니다.

역 카르노 주기

카르노 주기는 가역적인 주기이며, 프로세스가 역방향으로 진행되면 카르노 냉각 주기가 됩니다. 열과 일의 상호작용 방향이 완전히 역방향으로 바뀝니다. 따라서,

• 저온 저수지에서 흡수된 열은 Ql입니다.

• 고온 저수지에 배출된 열은 Qh입니다.

• 수행된 일은 Wnet-in입니다.

역 카르노 주기는 일반적인 카르노 주기와 동일하되, 프로세스의 방향이 반대입니다.

카르노 주기의 역사

카르노 주기는 1824년에 "N. L. Sadi Carnot"가 발명한 것으로 그의 이름을 따서 명명되었습니다. 사디 카르노는 열과 일의 관계를 발견한 것으로 알려져 있으며, 열역학의 창시자로 여겨집니다. 카르노는 열이 본질적으로 다른 형태의 일이라는 것을 처음으로 인식한 사람들 중 하나였습니다.

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