Když mluvíme ve fyzice a termodynamice Carnotův cyklus Máme na mysli sekvenci procesů, které probíhají v Carnotově motoru. Je to ideální zařízení, které se skládá pouze z některých procesů reverzibilního typu. To znamená, že jakmile tyto procesy proběhnou, lze se vrátit do výchozího stavu. Tento typ motoru je ve fyzice považován za ideální motor a používá se k plánování zbývajících motorů, protože se týká principy termodynamiky.
V tomto článku vám řekneme vše, co potřebujete vědět o Carnotově cyklu a jeho hlavních charakteristikách.
Hlavní charakteristiky
Mluvíme, že tento typ motoru je považován za ideální motor. Je tomu tak proto, že postrádá rozptyl energie v důsledku tření o zem nebo vzduch a jakéhokoli typu viskozity. Všechny tyto vlastnosti nebo nevýhody vznikají v jakémkoli skutečném motoru, protože není možné přeměnit tepelnou energii na použitelnou práci o 100%. Halda Carnota však může simulovat všechny tyto podmínky, aby mohla lépe fungovat a provádět výpočty jednodušším způsobem.
Když kupujeme motor, začínáme s látkou, která je schopná vykonávat práci. Například hlavními používanými látkami jsou plyn, benzín nebo pára. Když jsou tyto látky, které jsou schopné konat práci, vystaveny různým změnám teploty a tlaku, generovat určité odchylky v jejich objemu. Tímto způsobem lze píst pohybovat uvnitř válce, aby měl motor. Principy termodynamika hrají v těchto procesech zásadní roli.
Co je Carnotův cyklus?
K tomuto cyklu dochází v systému zvaném Carnotův motor. V tomto motoru je ideální plyn, který je uzavřen ve válci a je opatřen pístem. Píst je v kontaktu s různými zdroji, které mají různé teploty. V tomto systému existují některé procesy, které můžeme vidět v následujících krocích:
- Do zařízení se dodává určité množství tepla. Toto množství tepla pochází z vysokoteplotního tepelného zásobníku.
- Motor vykonává práci díky tomuto dodávanému teplu
- Část tepla je využita a část zbytečná. Odpad je převáděn do tepelné nádrže, která má nižší teplotu.
Jakmile uvidíme všechny procesy, uvidíme, jaké jsou fáze Carnotova cyklu. Analýza těchto procesů se provádí pomocí diagramu, ve kterém se měří tlak a objem. Účelem motoru může být buď udržovat chladnou nádrž číslo dvě extrakcí tepla z ní. V tomto případě budeme hovořit o chladicím stroji. Pokud je naopak cílem přenést teplo do tepelného zásobníku číslo jedna, pak mluvíme o tepelném čerpadle.
Pokud analyzujeme tlakový a objemový diagram, vidíme, že změny tlaku a teploty motoru se zobrazují za určitých podmínek, které jsou následující:
- Vždy, když je teplota konstantní. Tady mluvíme o izotermickém procesu.
- Žádný přenos tepla. Tady máme tepelnou izolaci.
Izotermické procesy je třeba na sebe navazovat a toho je dosaženo díky tepelné izolaci, konceptu, který souvisí s entropie.
Fáze Carnotova cyklu
Na začátku můžeme začít s jakoukoli částí cyklu, ve které má plyn určité podmínky tlaku, objemu a teploty. Tento plyn projde řadou procesů, které jej povedou k návratu do výchozích podmínek. Jakmile se plyn vrátil do původních podmínek, byl v perfektním stavu pro zahájení dalšího cyklu. Tyto podmínky jsou splněny, pokud je vnitřní energie na konci stejná jako vnitřní energie na začátku. To znamená, že se šetří energie. Již víme, že energie nevzniká ani neničí, ale pouze přeměňuje.
První fáze Carnotova cyklu je založena na izotermické expanzi. V této fázi systém absorbuje teplo z tepelné nádrže 1 a prochází izotermickou expanzí. Proto se zvyšuje objem plynu a snižuje se tlak. Teplota však zůstává stabilní, protože když se plyn rozpíná, ochlazuje se. Víme tedy, že jeho vnitřní energie zůstává v průběhu času konstantní.
Ve druhé fázi máme adiabatická expanze. Adiabatic znamená, že systém nezískává ani neztrácí teplo. Toho je dosaženo umístěním plynu do tepelné izolace, jak je uvedeno výše. Proto při adiabatické expanzi objem roste a tlak klesá, dokud nedosáhne nejnižší hodnoty.
V třetí fáze máme izotermickou kompresi. Zde odstraníme izolaci a systém přijde do kontaktu s tepelnou nádrží číslo 2, která bude mít nižší teplotu. Proto je systém odpovědný za přenos odpadního tepla, které nebylo použito, do této tepelné nádrže. Jak se uvolňuje teplo, tlak se začíná zvyšovat a objem se zmenšuje.
Konečně v poslední fázi Carnotova cyklu máme aadiabatická komprese. Zde se vracíme do fáze tepelné izolace systémem. Tlak zvyšuje objem klesá, dokud nedosáhne opět počátečních podmínek. Proto je cyklus připraven začít znovu.
Omezení
Jak jsme již zmínili, Carnotův motor je idealizovaný. To znamená, že od té doby má svá omezení skutečné motory nemají tak 100% účinnost. Víme, že dva stroje Carnot mají stejnou účinnost, pokud oba pracují se stejnými tepelnými nádržemi. Toto prohlášení znamená, že na látce, kterou používáme, záleží, protože výkon bude zcela nezávislý a nelze jej zvýšit.
Závěr, který vyvozujeme z předchozí analýzy, je, že Carnotův cyklus je vrcholem termodynamického procesu, kterého lze ideálně dosáhnout. To znamená, že kromě toho nebude žádný motor s vyšší účinností. Víme, že skutečnost tepelné izolace není nikdy dokonalá a adiabatické fáze neexistují, protože dochází k výměně tepla s vnějším povrchem.
U auta se blok motoru zahřívá a směs benzínu a vzduchu se nechová zrovna jako ideální plyn. O některých faktorech nemluvě způsobit drastické snížení výkonu.
Doufám, že s těmito informacemi se dozvíte více o Carnotově cyklu a jeho charakteristikách.