Carnotcykel och omvänd Carnotcykel

Carnots cykel

Carnots cykel är en termodynamisk cykel som kännetecknas av den bästa möjliga effektiviteten. Carnots cykel förvandlar tillgänglig energi i form av värme till användbar arbete genom reversibla adiabatiska (isotropa) och andra processer.

Effektiviteten hos Carnots motor är ett minus kvoten mellan temperaturen i det varma värmebeholderet och temperaturen i det kalla beholderet. Carnots cykel är känd för att sätta den högsta effektivitetsgränsen som någon cykel eller motor kan uppnå.

Arbete utförs av arbetningsmediet under den första delen av cykeln och arbete utförs på arbetningsmediet under den andra delen av cykeln. Skillnaden mellan de två är det neta arbete som utförs.

Cykelns effektivitet kan maximeras genom att använda processer som kräver minst möjligt arbete och levererar mest genom att använda reversibla processer. Praktiskt sett kan inte reversibla cykler uppnås på grund av irreversibilitet som är kopplad till varje process som inte kan elimineras.

Kylskåp och värmemotorer som fungerar med reversibla cykler anses vara modeller för att jämföra faktiska värmemotorer och kylskåp. Vid utvecklingen av den faktiska cykeln fungerar den reversibla cykeln som utgångspunkt och modifieras för att möta kraven.

Carnots cykel består av fyra reversibla processer (2 st. reversibla isoterma och 2 st. reversibla adiabatiska processer) som följer:

Carnots cykel demonstreras nedan genom den relevanta exemplet med pistong:
STEG 1 – 2
(Reversibel isotermer expansion, Th = konstant)

TH är gasens initiala temperatur och också temperaturen i beholderet, som är i nära kontakt med cylinderhuvudet.

Gasens temperatur sjunker när gasen expanderar, och samma hålls konstant genom överföring av infinitesimal värme (dT) från beholderet till gasen.
Mängden värme som överförs under processen till gasen är Qh

STEG 2 – 3
(Reversibel adiabatisk expansion, temperatur sjunker från TH till TL)

Systemet blir adiabatiskt när värmebeholderet ersätts av isolering. Under denna process sjunker gastemperaturen från Th till Tl.

Denna process kallas både reversibel och adiabatisk (observera att teknisk termodynamik har en specifik definition för system och processer).

STEG 3 – 4
(Reversibel isotermer komprimering, Tl = konstant)

På steg 3 ersätts cylinderhuvudisoleringen av en värmeavledare vid temperaturen Tl. När en extern kraft trycker in piston för att utföra arbete på gasen, ökar gasens temperatur.

Men gasens temperatur hålls konstant genom att avleda värme till avledaren. Mängden värme som avleds under processen är Ql.
STEG 4 – 1
(Reversibel adiabatisk komprimering, temperatur stiger från Tl till Th)

Värmeavledaren ersätts med isolering och gasens temperatur stiger från Tl till Th under komprimeringsprocessen.

Neta arbete utfört

Arbete utfört av gasen under expansionsprocessen är arean under kurvan 1-2-3.
Arbete utfört på gasen under komprimeringsprocessen är arean under kurvan 3-4-1

Således är det neta arbete utfört givet av arean under banan 1-2-3-4-1.

Betydelsen av Carnots cykel

Effektiviteten hos värmemotorer beror på cykelns maximala och minimala temperatur:
Carnot anger att effektiviteten hos en värmemotor är oberoende av typ av fluid och beror endast på den maximala och minimala temperaturen under cykeln.

Således är effektiviteten hos värmemotorerna högre när de drivs vid överhettade ångtemperaturer.
Carnots cykel och termodynamikens andra lag:

Carnots cykel visar tydligt att värme absorberas från en högtemperaturkälla, kallad beholder, och värme avleds till en avledare. Denna fakta ligger till grund för termodynamikens andra lag. Men externt arbete krävs för att flytta värmen i motsatt riktning.

Omvänd Carnots cykel

Carnots cykel är en reversibel cykel, och den blir Carnots kyldcykel när processen vänds. Riktningen för värme- och arbetsinteraktioner vänds helt, således
Således,

• Absorberad värme från lågtemperaturreservoir är Ql

• Avled värme till högtemperaturreservoir är Qh

• Utfört arbete är Wnet-in

Omvänd Carnots cykel är densamma som den konventionella Carnots cykel, förutom riktningen för processerna.

Carnots cykels historia

Carnots cykel är uppkallad efter "N. L. Sadi Carnot" som uppfinde den 1824. Sadi Carnot anses vara termodynamikens grundare för att ha upptäckt förhållandet mellan värme och arbete. Carnot var en av de första att inse att värme i grunden är arbete i en annan form.

Uttryck: Respektera det ursprungliga, bra artiklar är värt att dela, om det finns upphovsrättsskydd så kontakta för att ta bort.