วงจรคาร์โนและวงจรคาร์โนย้อนกลับ

วงจรคาร์โนต์

วงจรคาร์โนต์เป็นวงจรเทอร์โมไดนามิกที่มีประสิทธิภาพสูงสุด วงจรคาร์โนต์เปลี่ยนพลังงานในรูปของความร้อนให้เป็นกระบวนการที่สามารถกลับคืนได้ (ไอโซโทรปิก) และกระบวนการอื่นๆ

ประสิทธิภาพของเครื่องจักรคาร์โนต์คือหนึ่งลบด้วยอัตราส่วนของอุณหภูมิของแหล่งความร้อนกับอุณหภูมิของแหล่งความเย็น วงจรคาร์โนต์เป็นที่รู้จักในการกำหนดมาตรฐานประสิทธิภาพสูงสุดที่วงจรหรือเครื่องจักรใดๆ สามารถทำได้

การทำงานของของเหลวทำงานในส่วนแรกของวงจร และการทำงานบนของเหลวทำงานในส่วนที่สองของวงจร ความแตกต่างระหว่างทั้งสองส่วนคือการทำงานสุทธิ

ประสิทธิภาพของวงจรสามารถเพิ่มขึ้นโดยใช้กระบวนการที่ต้องการการทำงานน้อยที่สุดและมอบผลลัพธ์มากที่สุดโดยใช้กระบวนการที่สามารถกลับคืนได้ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ วงจรที่สามารถกลับคืนไม่สามารถทำได้เนื่องจากความไม่สามารถกลับคืนที่เกี่ยวข้องกับแต่ละกระบวนการซึ่งไม่สามารถกำจัดได้

ตู้เย็นและเครื่องจักรความร้อนที่ทำงานบนวงจรที่สามารถกลับคืนถูกมองว่าเป็นแบบจำลองสำหรับเปรียบเทียบกับเครื่องจักรความร้อนและตู้เย็นจริง ในกระบวนการพัฒนาวงจรจริง วงจรที่สามารถกลับคืนจะเป็นจุดเริ่มต้นและปรับเปลี่ยนเพื่อให้ตรงตามความต้องการ

วงจรคาร์โนต์ประกอบด้วยสี่กระบวนการที่สามารถกลับคืน (2 กระบวนการไอโซเทอร์มอลที่สามารถกลับคืน และ 2 กระบวนการอะดีอาแบติกที่สามารถกลับคืน) ดังนี้:

วงจรคาร์โนต์แสดงผ่านตัวอย่างที่เกี่ยวข้องกับกระบอกสูบดังนี้:
ขั้นตอน 1 – 2
(การขยายตัวไอโซเทอร์มอลที่สามารถกลับคืน, Th = คงที่)

TH เป็นอุณหภูมิเริ่มต้นของแก๊สและเป็นอุณหภูมิของแหล่งความร้อน ซึ่งอยู่ในสัมผัสใกล้ชิดกับฝากระบอกสูบ

อุณหภูมิของแก๊สลดลงเมื่อแก๊สขยายตัว และอุณหภูมิเดียวกันนี้ถูกคงที่โดยการโอนความร้อนเล็กน้อย (dT) จากแหล่งความร้อนไปยังแก๊ส
ปริมาณความร้อนที่ถูกโอนระหว่างกระบวนการไปยังแก๊สคือ Qh

ขั้นตอน 2 – 3
(การขยายตัวอะดีอาแบติกที่สามารถกลับคืน อุณหภูมิลดลงจาก TH ถึง TL)

ระบบกลายเป็นอะดีอาแบติกเมื่อแหล่งความร้อนถูกแทนที่ด้วยฉนวน ระหว่างกระบวนการนี้ อุณหภูมิของแก๊สลดลงจาก Th ถึง Tl

กระบวนการนี้เรียกว่าสามารถกลับคืนและอะดีอาแบติก (โปรดทราบว่า วิศวกรรมเทอร์โมไดนามิก มีคำจำกัดความเฉพาะสำหรับระบบและกระบวนการ)

ขั้นตอน 3 – 4
(การอัดไอโซเทอร์มอลที่สามารถกลับคืน, Tl = คงที่)

ที่ขั้นตอน 3 แหล่งความร้อนถูกแทนที่ด้วยฉนวนที่อุณหภูมิ Tl เมื่อกำลังภายนอกผลักดันลูกสูบเข้ามาภายในเพื่อทำงานบนแก๊ส แล้วอุณหภูมิของแก๊สจะเพิ่มขึ้น

แต่อุณหภูมิของแก๊สจะคงที่โดยการระบายความร้อนไปยังแหล่งความร้อน ปริมาณความร้อนที่ถูกระบายระหว่างกระบวนการคือ Ql.
ขั้นตอน 4 – 1
(การอัดอะดีอาแบติกที่สามารถกลับคืน อุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก Tl ถึง Th)

แหล่งความร้อนถูกแทนที่ด้วยฉนวนและอุณหภูมิของแก๊สเพิ่มขึ้นจาก Tl ถึง Th ระหว่างกระบวนการอัด

การทำงานสุทธิ

การทำงานของแก๊สระหว่างกระบวนการขยายตัวคือพื้นที่ใต้เส้นโค้ง 1-2-3.
การทำงานบนแก๊สระหว่างกระบวนการอัดคือพื้นที่ใต้เส้นโค้ง 3-4-1

ดังนั้น การทำงานสุทธิคือพื้นที่ใต้เส้นทาง 1-2-3-4-1

ความสำคัญของวงจรคาร์โนต์

ประสิทธิภาพของเครื่องจักรความร้อนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสูงสุดและต่ำสุดของวงจร:
คาร์โนต์ระบุว่า ประสิทธิภาพของเครื่องจักรความร้อนไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของของเหลว แต่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสูงสุดและต่ำสุดระหว่างวงจร

ดังนั้น ประสิทธิภาพของเครื่องจักรความร้อนจะสูงขึ้นเมื่อทำงานบนอุณหภูมิไอน้ำที่ถูกทำให้ร้อนเกิน
วงจรคาร์โนต์และกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิก:

วงจรคาร์โนต์แสดงให้เห็นว่า ความร้อนถูกดูดซับจากแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงและถูกระบายออกทางแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิต่ำ ข้อเท็จจริงนี้เป็นพื้นฐานของกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิก แต่ต้องใช้งานภายนอกในการย้ายความร้อนในทิศทางตรงกันข้าม

วงจรคาร์โนต์ย้อนกลับ

วงจรคาร์โนต์ เป็นวงจรที่สามารถกลับคืน และเมื่อกระบวนการย้อนกลับ วงจรนี้จะกลายเป็นวงจรตู้เย็นคาร์โนต์ ทิศทางของการสื่อสารความร้อนและการทำงานจะถูกย้อนกลับอย่างสมบูรณ์ ดังนั้น

• ความร้อนที่ถูกดูดซับจากแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิต่ำคือ Ql

• ความร้อนที่ถูกระบายออกไปยังแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงคือ Qh

• การทำงานคือ Wnet-in

วงจรคาร์โนต์ย้อนกลับ เหมือนกับวงจรคาร์โนต์ทั่วไปยกเว้นทิศทางของกระบวนการ

ประวัติศาสตร์ของวงจรคาร์โนต์

ทิป