Wat is de Carnot-warmtecyclus?
De Carnot-warmtecyclus, beter gezegd de Carnot-cyclus, is een geïdealiseerde thermodynamische cyclus die wordt gebruikt om de maximaal mogelijke efficiëntie te bepalen voor een warmtemotor die tussen twee gegeven temperaturen werkt. Het wordt gebruikt voor theoretische doeleinden, maar kan eigenlijk niet in fysieke systemen werken. Hoewel in theorie een motor zou kunnen worden gebouwd die in de buurt van maximale efficiëntie werkt, is de warmteoverdracht in de cyclus te langzaam om een praktisch systeem te zijn. De belangrijkste waarde van de Carnot-cyclus ligt in het vaststellen van de maximale efficiëntie voor andere soorten warmtemotoren.
Er zijn twee veronderstellingen gemaakt bij het construeren van de Carnot-warmtecyclus, om deze de maximale mogelijke efficiëntie te geven - alle processen zijn omkeerbaar en er is geen verandering in entropie. Een omkeerbaar proces is er een dat kan worden teruggebracht naar zijn oorspronkelijke staat zonder verlies van energie. Entropie is de hoeveelheid energie in een systeem die niet beschikbaar is om te werken. Volgens de tweede wet van de thermodynamica moet de hoeveelheid entropie in een systeem toenemen of hetzelfde blijven wanneer een proces optreedt. Aan beide veronderstellingen kan niet worden voldaan onder natuurlijke omstandigheden, maar ze zijn nuttig bij het bepalen van de maximale efficiëntie.
Vier processen worden herhaald in een Carnot-warmtecyclus. De eerste is een isotherme uitbreiding . 'Isothermisch' betekent dat de temperatuur gedurende het hele proces hetzelfde blijft. Het volume neemt toe en de druk neemt af en er wordt energie aan het systeem toegevoegd.
Het volgende proces staat bekend als een adiabatische uitbreiding . In adiabatische processen wordt geen warmte gewonnen of verloren door het systeem. Veranderingen in temperatuur treden op als gevolg van veranderingen in druk en volume. Voor deze specifieke stap wordt de druk verlaagd en het volume verhoogd om de temperatuur te verlagen.
Ten derde is een isotherme compressie . Tijdens dit proces neemt de druk toe en neemt het volume af en wordt energie uit het systeem verwijderd. Ten slotte wordt een adiabatische compressie uitgevoerd om het systeem in zijn oorspronkelijke staat terug te brengen. De druk wordt verhoogd en het volume wordt verlaagd om de temperatuur te verhogen.
Vanwege de veronderstelling dat er geen verandering in entropie is tijdens de Carnot-cyclus, zou het eindeloos kunnen worden uitgevoerd en dezelfde hoeveelheid energie behouden telkens wanneer het terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat. Er is nog steeds enige entropie, zelfs in dit geïdealiseerde systeem, wat betekent dat het niet 100% efficiënt kan zijn. De werkelijke efficiëntie van een Carnot-warmtecyclus kan worden berekend met behulp van de maximale en minimale temperaturen, op de absolute of Kelvin (K) temperatuurschaal. In deze vergelijking wordt de minimumtemperatuur van het maximum afgetrokken en wordt dit getal vervolgens gedeeld door de maximumtemperatuur.