Что такое двигатель Карно? | Как работает цикл Карно?

Тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, называется двигателем Карно. Цикл Карно дает оценку предельно возможной эффективности, с которой тепловой двигатель преобразует тепло в работу на выходе, наоборот, работая между двумя резервуарами (горячим и холодным).

В 1824 году Николя Леонард Сади Карно изобрел двигатель Карно. Этот двигатель известен как двигатель Карно из-за фамилии его изобретателя (Сади Карно).

• Механические взаимодействия: Во время процесса механического взаимодействия (Q = 0) теплопередача не происходит, поскольку энергия не падает из-за трения. Этот процесс называется адиабатическим.
• Тепловое взаимодействие: В процессе теплового взаимодействия теплопередача происходит очень медленно (называется квазистатическим процессом). Это означает, что изменение температуры между входом/выходом и теплом системы примерно одинаково, что означает, что передача тепла происходит в течение бесконечно долгого времени. Во время теплового взаимодействия внутренняя температура системы должна быть постоянной. Поэтому такой процесс называется изотермическим.

Двигатель, использующий вышеуказанные взаимодействия, называется двигателем Карно. Этот двигатель является «полностью обратимым двигателем» с самым высоким термическим КПД (η_max).

История двигателя Карно

• В 1824 году Николя Леонард Сади Карно разработал первую модель двигателя Карно.
• В 1824 году его исследования привели к предложению наиболее эффективного виртуального рабочего цикла (цикла Карно) между двумя одинаковыми резервуарами.
• В 1834 году Бенуа Поль Эмиль Клапейрон расширил графическую модель двигателя Карно.
• В 1857 году Рудольф Клаузиус математически исследовал цикл Карно. Эта работа привела к созданию базовой термодинамической концепции энтропии.

Принцип работы двигателя Карно

1. КПД необратимого теплового двигателя, работающего между двумя резервуарами, всегда ниже, чем КПД обратимого теплового двигателя Карно, работающего между двумя аналогичными резервуарами.
2. Все обратимые тепловые двигатели, работающие между двумя одинаковыми резервуарами, имеют одинаковый КПД.

Для повышения теплового КПД газовой силовой установки температура камер сгорания должна быть выше. Например, лопатки турбины не могут противостоять горячим газам, что приводит к преждевременной усталости.

Цикл Карно

1. Изотермическое расширение
2. Адиабатическое расширение
3. Изотермическое сжатие
4. Адиабатическое сжатие

Цикл Карно

Шаг 1) Изотермическое расширение (от D до A): -.

На приведенной выше диаграмме линия от A до B представляет процесс изотермического расширения. Слово «изотермический» является комбинацией слов «изо» и «термальный». Термин «Iso» означает то же самое, а «температура» означает тепло, и термин «изотермический» означает отсутствие изменения температуры.

В процессе изотермического расширения газ расширяется, и это расширение совершает работу над окружающей средой, перемещая поршень вверх. Во время этого процесса давление газа уменьшается от P₁ до P₂ (как показано на приведенной выше диаграмме). Но во время всего этого процесса температура газа не меняется, поэтому такое расширение называется изотермическим (расширение с постоянной температурой).

Во время изотермического расширения газ поглощает тепловую энергию Q _H из высокотемпературного резервуара, что увеличивает энтропию (энергию) газа.

Этап 2) Адиабатическое расширение (от B к C): —

После завершения изотермического процесса начинается изэнтропический процесс (B — C). Для изоэнтропийной стадии предположим, что цилиндр и поршень термически изолированы. Эта стадия известна как «адиабатический» процесс, поскольку тепло не может ни войти, ни выйти из цилиндра и поршня. Проще говоря, во время этого процесса не происходит никаких тепловых изменений.

В процессе адиабатического расширения газ непрерывно расширяется. Его давление снижается от P₂ до P₄ (как показано на диаграмме выше), объем увеличивается, а температура также снижается, так как теряется некоторое количество внутренней энергии, аналогичное проделанной работе.

Этот процесс расширения газа еще больше толкает поршень вверх и совершает работу над окружающей средой. Без подвода тепла расширение газа охлаждает газ и переводит его температуру в «холодную» температуру (T _c) .

Этап 3) Изотермическое сжатие: -.

В этом процессе окружающая среда совершает работу над газом благодаря тому, что тепло передается от системы к холодному резервуару. В процессе изотермического сжатия температура газа остается неизменной. Тем не менее, давление увеличивается от P₄ до P₃ (как показано на приведенной выше диаграмме), а объем газа уменьшается. Этот процесс заставляет тепловую энергию (Q₂) переходить из системы в холодный резервуар, и энтропия системы уменьшается.

Работа при изотермическом сжатии меньше, чем работа, совершаемая над средой на 1-й стадии. Это объясняется тем, что процесс сжатия начинается при низком давлении, что способствует передаче тепла от системы к холодному резервуару, и часть энергии расходуется в этом процессе.

Этап 4) Адиабатическое сжатие (от D до A): -.

На приведенной выше диаграмме линия от D до A представляет процесс адиабатического обратимого сжатия. Во время этого процесса предполагается, что поршень и цилиндр снова изолированы, а горячий резервуар устранен.

На этом этапе среда непрерывно совершает работу над газом, перемещая поршень вниз. По мере дальнейшего движения поршня вниз, он непрерывно сжимает газ и повышает его температуру и давление с P₃ до P₁ (как показано выше). Этот процесс повышает внутреннюю энергию газа, сжимает газ и повышает его температуру от T_c до T_h . В адиабатическом процессе энтропия остается неизменной. После этого процесса весь цикл повторяется.

Теорема Карно

Согласно теореме Карно:

• Все обратимые тепловые двигатели, работающие между двумя одинаковыми резервуарами, имеют одинаковую производительность.
• Обратимый тепловой двигатель Карно, работающий между двумя резервуарами, имеет более высокую производительность, чем необратимые тепловые двигатели, работающие на тех же резервуарах.
• Максимальный КПД двигателя Карно приведен ниже:

В приведенном выше уравнении:

T_H = температура горячего резервуара

T_C = Температура холодного резервуара

Q_H = Тепло, подводимое к системе

W = Работа, совершенная системой

КПД двигателя Карно зависит от температуры холодного и горячего резервуаров. Он не зависит от природы рабочей жидкости.

Что такое КПД двигателя Карно?

КПД Карно обозначает максимальный тепловой КПД, которого может достичь тепловой двигатель Карно в соответствии со 2-м законом термодинамики. В 1824 году Сади Карно ввел этот закон. Он придумал идею максимизации КПД теплового двигателя.

Сади Карно разработал двигатель Карно, который теоретически может обеспечить такую производительность, так называемый двигатель Карно. КПД двигателя Карно изменяется в зависимости от температуры холода (T_L) и горячей (T_c) резервуаров (как показано на приведенной ниже диаграмме).

По следующей формуле можно рассчитать максимальный КПД цикла Карно:

T_C = температура холодного резервуара

T_H = Температура горячего резервуара

Как видно из приведенного выше уравнения, КПД цикла Карно может увеличиваться за счет уменьшения значения T_H или увеличения значения T_L.

Цикл Карно показывает, что тепловой двигатель может достичь 100% КПД, если T _c =0 К. Такие 100% возможны только в том случае, если температура холодного радиатора равна абсолютному нулю, но теоретически и практически это невозможно.

Реальный тепловой двигатель не может достичь такого высокого КПД, как двигатель Карно. Двигатель Карно может достичь до 0,7 фактического КПД; это его лучший КПД.

Современная диаграмма двигателя Карно

Приведенная ниже диаграмма обозначает блок-схему двигателя Карно. В 1850 году Клаузиус ввел термин, известный как «рабочее тело» (система), которое может быть паром или жидкостью, через которую тепло «Q» может передаваться или вводиться для создания работы на выходе (как показано на приведенной ниже диаграмме).

Современная диаграмма двигателя Карно

Карно утверждал, что телом жидкости может быть любой материал, способный расширяться, например, постоянный газ, пары ртути, пары спирта, водяной пар или воздух. В те ранние времена двигатели были разных конструкций, но обычно для подачи тепла использовался котел (в котором вода кипятилась, проходя через топку) ( Q_H ), а конденсатор использовался для подачи Q_C .

Работа на выходе W обозначает движение поршня. Поршень использовался для привода шкива. До сих пор он используется для вращения кривошипа.

Компоненты двигателя Карно

1. Источник
2. Раковина
3. Цилиндр
4. Изолирующая подставка
5. Поршень

1) Источник

Источник — это горячее тело, которое работает при постоянной температуре T1. Он передает тепло в систему для работы.

Источник имеет неограниченный объем тепла. При постоянной температуре (T1) вы можете отбирать от него тепло по своему желанию. Температура источника тепла остается постоянной даже после отбора большого количества тепла.

2) Раковина

Это низкотемпературное тело, имеющее постоянную низкую температуру (T2). Раковина также имеет неограниченную теплоемкость. Это означает, что тепло, подведенное к поглотителю, не повышает его температуру.

3) Цилиндр

Цилиндр имеет проводящее дно и непроводящую стенку. Он оснащен абсолютно непроводящим поршнем без трения. Этот поршень движется вверх и вниз для сжатия газа. В двигателе Карно в качестве рабочей среды используется идеальный газ.

4) Изолирующий стенд

Изолирующий стенд используется для осуществления адиабатической работы. Эта часть двигателя Карно изготовлена из непроводящего материала.

5) Поршень

Это возвратно-поступательный компонент, который совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра двигателя. Возвратно-поступательное движение поршня вызывает расширение и сжатие газа.

Ограничения цикла Карно

• Это идеальный цикл. Другими словами, цикл Карно не существует и не может быть построен. Поэтому цикл Карно является лишь теоретической концепцией.
• Согласно термодинамике, в изотермическом процессе температура не меняется, в то время как цикл Карно утверждает, что при изотермическом расширении будет происходить добавление тепла, что невозможно.
• Цикл Карно объясняет только тепловой двигатель, но не объясняет другие типы оборудования.
• В реальном двигателе может происходить потеря тепла, в то время как цикл Карно имеет противоположную работу.

Почему цикл Карно не используется в практических приложениях?

В тепловом двигателе Карно в качестве рабочей жидкости используется идеальный газ, запертый в цилиндре. Границы этого цилиндра полностью изолированы.

1. Изотермическое расширение
2. Адиабатическое расширение
3. Изотермическое сжатие
4. Адиабатическое сжатие.

Из вышеперечисленных четырех процессов два являются обратимыми изотермическими, а два — адиабатическими.

1. Изотермический процесс является очень медленным, в то время как адиабатический — очень быстрым. В действительности, быстрый и медленный процессы не могут работать одновременно.
2. Цикл Карно утверждает, что тепловой двигатель может достичь 100% КПД. Эти 100% возможны только в том случае, если температура холодного радиатора равна абсолютному нулю, но теоретически и практически это невозможно.

По вышеуказанным причинам цикл Карно не может быть использован на практике.

Раздел часто задаваемых вопросов

Кто изобрел двигатель Карно?

В 1824 году Николя Леонард Сади Карно изобрел двигатель Карно.

Что является рабочей жидкостью в цикле Карно?

В качестве рабочей жидкости в цикле Карно используется идеальный газ.

Назовите процессы, происходящие в цикле Карно?

1. Изотермическое расширение
2. Адиабатическое расширение
3. Изотермическое сжатие
4. Адиабатическое сжатие.

Существует ли двигатель Карно?

Тепловой двигатель, в котором используются только обратимые процессы (изотермический и адиабатический), называется двигателем Карно.

Практически двигатель Карно не существует, потому что в цикле Карно изотермический процесс очень медленный, а адиабатический — очень быстрый. В реальности быстрый и медленный процесс не могут работать одновременно.

Является ли двигатель Карно обратимым?

Да, потому что двигатель Карно использует цикл Карно, который является полностью обратимым.