Was ist der Carnot-Wärmezyklus?
Der Carnot-Wärmekreislauf, besser gesagt der Carnot-Wärmekreislauf, ist ein idealisierter thermodynamischer Kreislauf, der verwendet wird, um den maximal möglichen Wirkungsgrad für eine Wärmekraftmaschine zu bestimmen, die zwischen zwei gegebenen Temperaturen betrieben wird. Es wird zu theoretischen Zwecken verwendet, kann jedoch nicht in physischen Systemen betrieben werden. Obwohl ein Motor theoretisch so konstruiert sein könnte, dass er nahe am maximalen Wirkungsgrad arbeitet, ist die Wärmeübertragung im Zyklus zu langsam, um ein praktikables System zu sein. Der Hauptwert des Carnot-Zyklus liegt in der Ermittlung des maximalen Wirkungsgrades für andere Arten von Wärmekraftmaschinen.
Um den Carnot-Wärmekreislauf so effizient wie möglich zu gestalten, werden zwei Annahmen getroffen: Alle Prozesse sind reversibel, und die Entropie ändert sich nicht. Ein reversibler Prozess kann ohne Energieverlust in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden. Entropie ist die Energiemenge in einem System, die für die Arbeit nicht verfügbar ist. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik muss die Entropie in einem System zunehmen oder gleich bleiben, wenn ein Prozess abläuft. Keine dieser Annahmen kann unter natürlichen Bedingungen erfüllt werden, aber sie sind nützlich, um die maximale Effizienz zu bestimmen.
Vier Vorgänge wiederholen sich in einem Carnot-Wärmezyklus. Die erste ist eine isotherme Expansion . "Isotherm" bedeutet, dass die Temperatur während des gesamten Prozesses gleich bleibt. Währenddessen nimmt das Volumen zu und der Druck ab, und dem System wird Energie zugeführt.
Der nächste Prozess ist als adiabatische Expansion bekannt . Bei adiabatischen Prozessen wird keine Wärme vom System gewonnen oder verloren. Temperaturänderungen treten aufgrund von Druck- und Volumenänderungen auf. Für diesen speziellen Schritt wird der Druck verringert und das Volumen erhöht, um die Temperatur zu verringern.
Drittens ist eine isotherme Kompression . Während dieses Vorgangs nimmt der Druck zu und das Volumen ab, und dem System wird Energie entzogen. Schließlich wird eine adiabatische Komprimierung durchgeführt, um das System in seinen ursprünglichen Zustand zurückzuführen. Der Druck wird erhöht und das Volumen verringert, um die Temperatur zu erhöhen.
Aufgrund der Annahme, dass sich die Entropie während des Carnot-Zyklus nicht ändert, könnte sie endlos durchgeführt werden und jedes Mal, wenn sie in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrt, die gleiche Energiemenge beibehalten. Es gibt jedoch auch in diesem idealisierten System eine gewisse Entropie, was bedeutet, dass es nicht zu 100% effizient sein kann. Der tatsächliche Wirkungsgrad eines Carnot-Wärmekreislaufs kann anhand seiner maximalen und minimalen Temperaturen auf der absoluten oder Kelvin (K) -Temperaturskala berechnet werden. In dieser Gleichung wird die minimale Temperatur vom Maximum abgezogen und diese Zahl durch die maximale Temperatur dividiert.