Carnot Döngüsü ve Ters Carnot Döngüsü

Carnot Döngüsü

Carnot döngüsü, mümkün olan en iyi verimlilikle bilinen bir termodinamik döngüdür. Carnot döngüsü, ısı enerjisini kullanılabilecek biçimde tersine çevrilebilir adiabatik (izotermik) ve diğer süreçlerle dönüştürür.

Carnot motorunun verimliliği, sıcak hava rezervuarının sıcaklığının soğuk rezervuarın sıcaklığa oranının bir eksiğidir. Carnot döngüsü, herhangi bir döngü veya motorun ulaşabileceği en yüksek verimlilik kriterini belirler.

İş, döngünün ilk kısmında çalıştırılan akışkan tarafından yapılır ve döngünün ikinci kısmında akışkana iş uygulanır. İki arasındaki fark, net iş miktarıdır.

Döngü verimliliği, en az miktarda iş gerektiren ve tersine çevrilebilir süreçleri kullanarak en fazla verimi sağlayabilir. Pratikte, her işlemle ilişkili geri dönüşümsüzlük nedeniyle tamamen tersine çevrilebilir döngüler elde edilemez.

Tersine çevrilebilir döngüler üzerinde çalışan soğutucular ve ısı motorları, gerçek ısı motorları ve soğutucularla karşılaştırma için modeller olarak kabul edilir. Gerçek döngünün geliştirilmesinde, tersine çevrilebilir döngü başlangıç noktası olarak kullanılır ve gerekliliklere uygun hale getirilir.

Carnot döngüsü, dört tane tersine çevrilebilir süreci (2 tane tersine çevrilebilir izotermik ve 2 tane tersine çevrilebilir adiabatik süreç) içerir:

Carnot Döngüsü, piston ile ilgili aşağıdaki örnek üzerinden gösterilmektedir:
ADIM 1 – 2
(Tersine Çevrilebilir İzotermik Genleşme, Th = Sabit)

TH, gazın başlangıç sıcaklığıdır ve aynı zamanda silindir başıyla yakın temas halindeki rezervuarın sıcaklığıdır.

Gaz genişlediğinde sıcaklığı düşer ve bu sıcaklık, rezervuardan gazın üzerine sonsuz küçük ısı (dT) ile aktarılması yoluyla sabit tutulur.
Bu sürece gazın aktarılan ısı miktarı Qh’dir.

ADIM 2 – 3
(Tersine Çevrilebilir Adiabatik Genleşme, sıcaklık TH’den TL’ye düşer)

Sistem, ısı rezervuarı yerine yalıtım ile değiştirildiğinde adiabatik hale gelir. Bu süreçte, gaz sıcaklığı Tl’den Th’ye düşer.

Bu süreç, tersine çevrilebilir ve aynı zamanda adiabatiktir (not: mühendislik termodinamiği, sistemler ve süreçler için özel bir tanımı vardır).

ADIM 3 – 4
(Tersine Çevrilebilir İzotermik Sıkıştırma, Tl = sabit)

Aşama-3'te, ısı havuzu silindir başındaki yalıtım yerine Tl sıcaklığında yer alır. Dış bir kuvvet pistonu içeri doğru iterken gaz üzerinde iş yapılırsa, gazın sıcaklığı artar.

Ancak gazın sıcaklığı, ısı havuzuna ısı atılacak şekilde sabit tutulur. Bu sürece atılan ısı miktarı Ql’dir.
ADIM 4 – 1
(Tersine Çevrilebilir Adiabatik Sıkıştırma, sıcaklık Tl’den Th’ye yükselir)

Enerji havuzu yerine yalıtım ile değiştirildiğinde, gazın sıcaklığı sıkıştırma sırasında Tl’den Th’ye yükselir.

Net İş Yapıldı

Genleşme sırasında gaz tarafından yapılan iş, 1-2-3 eğrisi altında verilen alan kadardır.
Sıkıştırma sırasında gaz üzerinde yapılan iş, 3-4-1 eğrisi altında verilen alan kadardır

Böylece net iş, 1-2-3-4-1 yolundaki alan kadardır.

Carnot Döngüsünün Önemi

Isı motorunun verimliliği döngünün maksimum ve minimum sıcaklıklarına bağlıdır:
Carnot, ısı motorunun verimliliğinin akışkan tipinden bağımsız olduğunu ve sadece döngü boyunca maksimum ve minimum sıcaklıklara bağlı olduğunu belirtir.

Bu nedenle, ısı motorunun verimliliği, aşırı ısınmış buhar sıcaklığı üzerinde çalıştığında daha yüksektir.
Carnot Döngüsü ve Termodinamikin İkinci Yasası:

Carnot döngüsü, ısıların yüksek sıcaklık kaynağından (rezervuar) emilip düşük sıcaklık havuzuna atıldığını açıkça gösterir. Bu gerçek, termodinamikin ikinci yasasının temelini oluşturur. Ancak, ısıyı ters yönde hareket ettirmek için dış iş gerekir.

Tersine Çevrilmiş Carnot Döngüsü

Carnot döngüsü tersine çevrilebilir bir döngüdür ve işlem tersine çevirildiğinde Carnot soğutma döngüsü olur. Isı ve iş etkileşimlerinin yönleri tamamen tersine döner. Böylece,

• Düşük sıcaklık rezervuarından emilen ısı Ql’dir

• Yüksek sıcaklık rezervuarına atılan ısı Qh’dir

• Yapılan iş Wnet-in’dir

Tersine çevrilmiş Carnot döngüsü, geleneksel Carnot Döngüsü ile aynıdır, ancak işlemlerin yönü farklıdır.

Carnot Döngüsünün Tarihi

Carnot döngüsü, onu 1824 yılında bulan “N. L. Sadi Carnot” isminden almıştır. Sadi Carnot, ısı ve iş ilişkisini keşfeden kişi olarak termodinamikin kurucusu olarak bilinir. Carnot, ısının esasında farklı bir formda iş olduğunu anlayan ilk kişilerden biriydi.

Açıklama: Orijinali saygın, paylaşmak değerli makaleler, telif hakkı ihlali varsa lütfen silme talebinde bulunun.