Όταν μιλάμε στη φυσική και τη θερμοδυναμική του Κύκλος Carnot Αναφερόμαστε σε μια ακολουθία διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε έναν κινητήρα Carnot. Είναι μια ιδανική συσκευή που αποτελείται μόνο από ορισμένες διεργασίες αναστρέψιμου τύπου. Αυτό σημαίνει ότι μόλις πραγματοποιηθούν αυτές οι διεργασίες, μπορεί να επανέλθει η αρχική κατάσταση. Αυτός ο τύπος κινητήρα θεωρείται στη φυσική ως ιδανικός κινητήρας και χρησιμοποιείται για τον σχεδιασμό των υπόλοιπων κινητήρων, καθώς σχετίζεται με το αρχές της θερμοδυναμικής.
Σε αυτό το άρθρο θα σας πούμε όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για τον κύκλο Carnot και τα κύρια χαρακτηριστικά του.
Κύρια χαρακτηριστικά
Μιλάμε ότι αυτός ο τύπος κινητήρα θεωρείται ιδανικός κινητήρας. Αυτό συμβαίνει δεδομένου ότι δεν διαθέτει τη διάχυση της ενέργειας, λόγω τριβής με το έδαφος ή τον αέρα και κανένα είδος ιξώδους. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά ή μειονεκτήματα προκύπτουν σε οποιονδήποτε πραγματικό κινητήρα, από τότε είναι αδύνατο να μετατρέψουμε τη θερμική ενέργεια σε χρησιμοποιήσιμη εργασία κατά 100%. Ωστόσο, ο σωρός Carnot μπορεί να προσομοιώσει όλες αυτές τις συνθήκες για να μπορεί να λειτουργεί καλύτερα και να κάνει υπολογισμούς με απλούστερο τρόπο.
Όταν αγοράζουμε έναν κινητήρα, το κάνουμε ξεκινώντας από μια ουσία που είναι ικανή να κάνει δουλειά. Για παράδειγμα, οι κύριες ουσίες που χρησιμοποιούνται είναι το αέριο, η βενζίνη ή ο ατμός. Όταν αυτές οι ουσίες που είναι ικανές να κάνουν εργασία υπόκεινται σε διάφορες αλλαγές τόσο στη θερμοκρασία όσο και στην πίεση, δημιουργούν κάποιες παραλλαγές στον όγκο τους. Με αυτόν τον τρόπο, ένα έμβολο μπορεί να μετακινηθεί μέσα σε έναν κύλινδρο για να έχει τον κινητήρα. Οι αρχές του θερμοδυναμική διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο σε αυτές τις διαδικασίες.
Τι είναι ο κύκλος Carnot;
Αυτός ο κύκλος πραγματοποιείται σε ένα σύστημα που ονομάζεται μηχανή Carnot. Σε αυτόν τον κινητήρα υπάρχει ένα ιδανικό αέριο που περικλείεται σε έναν κύλινδρο και το οποίο διαθέτει ένα έμβολο. Το έμβολο έρχεται σε επαφή με διάφορες πηγές που βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Σε αυτό το σύστημα υπάρχουν μερικές διαδικασίες που βλέπουμε στα ακόλουθα βήματα:
- Μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας παρέχεται στη συσκευή. Αυτή η ποσότητα θερμότητας προέρχεται από τη θερμική δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας.
- Ο κινητήρας εκτελεί εργασία χάρη σε αυτήν τη θερμότητα που θα παρέχεται
- Μέρος της θερμότητας χρησιμοποιείται και κάποιος σπαταλάται. Τα απόβλητα μεταφέρονται στη θερμική δεξαμενή που βρίσκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία.
Μόλις δείτε όλες τις διαδικασίες, θα δούμε ποια είναι τα στάδια του κύκλου Carnot. Η ανάλυση αυτών των διαδικασιών πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ένα διάγραμμα στο οποίο μετράται η πίεση και ο όγκος. Ο σκοπός του κινητήρα μπορεί να είναι είτε να διατηρήσει το ρεζερβουάρ νούμερο δύο δροσερό εξάγοντας θερμότητα από αυτόν. Σε αυτήν την περίπτωση θα μιλήσουμε για μια μηχανή ψύξης. Αν, αντίθετα, ο στόχος είναι η μεταφορά θερμότητας στη θερμική δεξαμενή νούμερο ένα, τότε μιλάμε για αντλία θερμότητας.
Αν αναλύσουμε ένα διάγραμμα πίεσης και όγκου, βλέπουμε ότι οι αλλαγές στην πίεση και τη θερμοκρασία του κινητήρα εμφανίζονται υπό ορισμένες συνθήκες που είναι οι ακόλουθες:
- Πάντα όταν η θερμοκρασία παραμένει σταθερή. Εδώ μιλάμε για μια ισοθερμική διαδικασία.
- Χωρίς μεταφορά θερμότητας. Εδώ έχουμε θερμομόνωση.
Οι ισοθερμικές διεργασίες πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους και αυτό επιτυγχάνεται χάρη στη θερμομόνωση, μια έννοια που σχετίζεται με την η εντροπία.
Στάδια του κύκλου Carnot
Στο σημείο εκκίνησης μπορούμε να ξεκινήσουμε με οποιοδήποτε μέρος του κύκλου στο οποίο το αέριο έχει ορισμένες συνθήκες πίεσης, όγκου και θερμοκρασίας. Αυτό το αέριο θα υποβληθεί σε μια σειρά διεργασιών που θα το οδηγήσουν να επιστρέψει στις αρχικές του συνθήκες. Μόλις το αέριο επανέλθει στις αρχικές του συνθήκες, ήταν σε άριστη κατάσταση για να ξεκινήσει ένας άλλος κύκλος. Αυτές οι προϋποθέσεις πληρούνται εφόσον η εσωτερική ενέργεια στο τέλος είναι ίδια με την εσωτερική ενέργεια στην αρχή. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια διατηρείται. Γνωρίζουμε ήδη ότι η ενέργεια ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται, αλλά μόνο μετασχηματίζεται.
Το πρώτο στάδιο του κύκλου Carnot βασίζεται σε μια ισοθερμική επέκταση. Σε αυτό το στάδιο το σύστημα απορροφά θερμότητα από τη θερμική δεξαμενή 1 και υφίσταται ισοθερμική διαστολή. Ως εκ τούτου, ο όγκος του αερίου αυξάνεται και η πίεση μειώνεται. Ωστόσο, η θερμοκρασία παραμένει σταθερή αφού όταν το αέριο διογκώνεται ψύχεται. Επομένως, γνωρίζουμε ότι η εσωτερική του ενέργεια παραμένει σταθερή με την πάροδο του χρόνου.
Στο δεύτερο στάδιο έχουμε ένα αδιαβατική επέκταση. Αδιαβατικό σημαίνει ότι το σύστημα δεν κερδίζει ούτε χάνει θερμότητα. Αυτό επιτυγχάνεται τοποθετώντας το αέριο σε θερμομόνωση όπως υποδεικνύεται παραπάνω. Επομένως, σε μια αδιαβατική επέκταση ο όγκος αυξάνεται και η πίεση μειώνεται μέχρι να φτάσει στη χαμηλότερη τιμή της.
Στην τρίτο στάδιο έχουμε μια ισοθερμική συμπίεση. Εδώ αφαιρούμε τη μόνωση και το σύστημα έρχεται σε επαφή με τη θερμική δεξαμενή αριθμός 2, η οποία θα είναι σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Για το λόγο αυτό, το σύστημα είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά της απορριπτόμενης θερμότητας που δεν έχει χρησιμοποιηθεί σε αυτήν τη θερμική δεξαμενή. Καθώς η θερμότητα απελευθερώνεται, η πίεση αρχίζει να αυξάνεται και ο όγκος να μειώνεται.
Τέλος, στο τελευταίο στάδιο του κύκλου Carnot έχουμε ένααδιαβατική συμπίεση. Εδώ επιστρέφουμε σε ένα στάδιο θερμομόνωσης από το σύστημα. Η πίεση αυξάνεται, ο όγκος μειώνεται μέχρι να φτάσει ξανά στις αρχικές συνθήκες. Επομένως, ο κύκλος είναι έτοιμος να ξεκινήσει ξανά.
Περιορισμοί
Όπως προαναφέραμε, ο κινητήρας του Carnot είναι εξιδανικευμένος. Αυτό σημαίνει ότι έχει τους περιορισμούς του από τότε οι πραγματικοί κινητήρες δεν έχουν αυτή την απόδοση 100%. Γνωρίζουμε ότι δύο μηχανές Carnot έχουν την ίδια απόδοση εάν και οι δύο λειτουργούν με τις ίδιες θερμικές δεξαμενές. Αυτή η δήλωση σημαίνει ότι η ουσία που χρησιμοποιούμε έχει σημασία, καθώς η απόδοση θα είναι εντελώς ανεξάρτητη και δεν μπορεί να αυξηθεί.
Το συμπέρασμα που συνάγουμε από την προηγούμενη ανάλυση είναι ότι ο κύκλος Carnot είναι η κορυφή της θερμοδυναμικής διαδικασίας που μπορεί να επιτευχθεί ιδανικά. Δηλαδή, πέρα από αυτό, δεν θα υπάρχει κινητήρας με μεγαλύτερη απόδοση. Γνωρίζουμε ότι το γεγονός της θερμομόνωσης δεν είναι ποτέ τέλειο και τα αδιαβατικά στάδια δεν υπάρχουν, καθώς υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας με το εξωτερικό.
Στην περίπτωση ενός αυτοκινήτου, το μπλοκ κινητήρα θερμαίνεται και το μείγμα βενζίνης και αέρα δεν συμπεριφέρεται ακριβώς όπως ένα ιδανικό αέριο. Για να μην αναφέρουμε κάποιους παράγοντες που προκαλεί δραστική μείωση της απόδοσης.
Ελπίζω ότι με αυτές τις πληροφορίες μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τον κύκλο Carnot και τα χαρακτηριστικά του.