Cykl Carnota to termod dynamiczny cykl, który charakteryzuje się najwyższą możliwą wydajnością. Cykl Carnota przekształca dostępną energię w postaci ciepła w użyteczne procesy odwracalne-adiabatyczne (izotermiczne) oraz inne.
Wydajność silnika Carnota wynosi jeden minus stosunek temperatury gorącego zasobnika ciepła do temperatury zimnego zasobnika. Cykl Carnota ustanawia najwyższy standard wydajności, jaki może osiągnąć każdy cykl lub silnik.
Praca jest wykonana przez płyn roboczy w pierwszej części cyklu, a praca jest wykonywana na płynie roboczym w drugiej części cyklu. Różnica między nimi stanowi netto pracę wykonaną.
Wykorzystanie procesów wymagających najmniejszej ilości pracy i dających najwięcej poprzez zastosowanie odwracalnych procesów pozwala maksymalizować wydajność cyklu. W praktyce, odwracalne cykle nie mogą być osiągnięte ze względu na nieodwracalność związane z każdym procesem, która nie może być eliminowana.
Lodówki i silniki cieplne działające na odwracalnych cyklach są uważane za modele do porównywania rzeczywistych silników cieplnych i lodówek. W rozwoju rzeczywistego cyklu, odwracalny cykl służy jako punkt wyjścia i jest modyfikowany, aby spełniać wymagania.
Cykl Carnota składa się z czterech odwracalnych procesów (2 odwracalne izotermiczne i 2 odwracalne adiabatyczne), które są następujące:
Cykl Carnota jest pokazany poniżej na przykładzie tłoka:
KROK 1 – 2
(Odwracalna izotermiczna ekspansja, Th = stałe)
TH to początkowa temperatura gazu oraz temperatura zasobnika, który jest w bliskim kontakcie z głowicą cylindra.
Temperatura gazu spada, gdy gaz się rozszerza, a ta sama jest utrzymywana stała poprzez transfer nieskończenie małej ilości ciepła (dT) z zasobnika do gazu.
Ilość ciepła przekazana podczas procesu do gazu wynosi Qh
KROK 2 – 3
(Odwracalna adiabatyczna ekspansja, temperatura spada z TH do TL)
System staje się adiabatyczny, gdy zasobnik ciepła zostaje zastąpiony izolacją. Podczas tego procesu temperatura gazu spada z Th do Tl.
Ten proces jest nazywany odwracalnym oraz adiabatycznym (zauważ, że inżynierska termodynamika ma specyficzną definicję dla systemów i procesów).
KROK 3 – 4
(Odwracalna izotermiczna kompresja, Tl = stałe)
Na etapie 3, zbiornik chłodzący zastąpił izolację głowicy cylindra o temperaturze Tl. Gdy zewnętrzna siła przesuwa tłok wewnątrz, wykonując pracę na gazie, temperatura gazu wzrasta.
Ale temperatura gazu jest utrzymywana stała poprzez odrzucenie ciepła do zbiornika. Ilość ciepła odrzuconego podczas procesu wynosi Ql.
KROK 4 – 1
(Odwracalna adiabatyczna kompresja, temperatura wzrasta z Tl do Th)
Zbiornik chłodzący jest zastępowany izolacją, a temperatura gazu wzrasta z Tl do Th podczas procesu kompresji.
Praca wykonana przez gaz podczas procesu ekspansji odpowiada powierzchni pod krzywą 1-2-3.
Praca wykonana na gazie podczas procesu kompresji odpowiada powierzchni pod krzywą 3-4-1
Zatem całkowita praca wykonana odpowiada powierzchni pod ścieżką 1-2-3-4-1.
Wydajność silnika cieplnego zależy od maksymalnej i minimalnej temperatury cyklu:
Carnot stwierdził, że wydajność silnika cieplnego nie zależy od rodzaju płynu, ale jedynie od maksymalnej i minimalnej temperatury podczas cyklu.
Zatem wydajność silnika cieplnego jest wyższa, gdy działa na temperaturze przegrzanego pary.
Cykl Carnota i druga zasada termodynamiki:
Cykl Carnota jasno pokazuje fakt, że ciepło jest absorbowane z źródła o wysokiej temperaturze, zwane zasobnikiem, a ciepło jest odrzucane do zbiornika. Ten fakt stał się podstawą dla drugiej zasady termodynamiki. Ale wymagana jest praca zewnętrzna, aby przenieść ciepło w odwrotnym kierunku.
Cykl Carnota to odwracalny cykl, a staje się on cyklem chłodzenia Carnota, gdy proces jest odwrócony. Kierunki oddziaływania ciepła i pracy są całkowicie odwrócone, więc
Zatem,
Ciepło absorbowane z zasobnika o niskiej temperaturze wynosi Ql
Ciepło odrzucone do zasobnika o wysokiej temperaturze wynosi Qh
Praca wykonana wynosi Wnet-in
Odwrócony cykl Carnota jest taki sam jak konwencjonalny cykl Carnota, z wyjątkiem kierunku procesów.
Cykl Carnota nazwany został na cześć "N. L. Sadi Carnota", który go wynalazł w 1824 roku. Sadi Carnot jest określany jako założyciel termodynamiki za odkrycie związku między ciepłem a pracą. Carnot był jednym z pierwszych, którzy zrozumieli, że ciepło jest w istocie pracą w innej formie.
