Was ist der Carnot-Zyklus?
Der Carnot-Zyklus ist ein idealisierter thermodynamischer Zyklus, der eine perfekte Wärmekraftmaschine beschreibt. Alle realen Wärmekraftmaschinen sind unvollständige Annäherungen an die theoretische Perfektion, die der Carnot-Zyklus verkörpert. Im Carnot-Zyklus wird nicht die gesamte Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt, sondern ein großer Teil - der größte Teil, der nach physikalischem Recht zulässig ist.
Eine Wärmekraftmaschine erzeugt Arbeit aus der Temperaturdifferenz zweier Speicher. In einem Verbrennungsmotor ist ein Speicher die im Motor erzeugte Wärme ( Quelle ) und der andere Speicher die äußere Umgebung ( Senke ). Die von der Quelle erzeugte Wärme bewirkt, dass sich das Gas im Zylinder ausdehnt und einen Kolben antreibt, der funktioniert. Der thermodynamische Zustand des sich ausdehnenden Gases bei konstanter Temperatur wird als isotherm bezeichnet .
Schließlich wird die Wärmequelle entfernt und das Gas hört so schnell auf, sich auszudehnen. Wenn die Wärme kontinuierlich weitergeführt würde, würde der Zylinder explodieren. Das Gas verliert an Temperatur, sobald es sein maximales Volumen erreicht und arbeitet nicht mehr am Kolben. Dies wird als adiabatische Expansion des Gases bezeichnet. Dann kehrt der Kolben den Kurs um und komprimiert das Gas, bis es aufgrund der darin enthaltenen Wärme eine maximale Temperatur und einen maximalen physikalischen Widerstand erreicht und das System wieder in den Ausgangszustand versetzt. Dann beginnt der Zyklus erneut.
Es gibt viele verschiedene Arten von Wärmekraftmaschinen. Alle arbeiten auf dem bekannten Temperaturgradienten zwischen einer Quelle und einer Senke. Um den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen zu maximieren, müssen sie gut isoliert sein. Bei den meisten heute verwendeten Motoren bleibt das Gas während des gesamten Zyklus ein Gas, bei Dampfmaschinen tritt jedoch ein Phasenwechsel zwischen Flüssigkeit und Gas auf.
In einem perfekten Carnot-Zyklus verlaufen alle vier Schritte sehr langsam, um die durch den Prozess verursachte Entropie oder thermodynamische Irreversibilität zu minimieren. In Wirklichkeit schreiten die Schritte schnell voran und es wird Entropie erzeugt, was bedeutet, dass der Zyklus nicht für immer weitergehen kann. Die Wände des Zylinders verschlechtern sich, die Wärme aus dem Motorinneren geht an die Außenumgebung verloren und so weiter. Der Carnot-Zyklus kann umgekehrt ablaufen, um einen Kühlschrank zu erzeugen.