Wat is de Carnot-cyclus?

De Carnot-cyclus is een geïdealiseerde thermodynamische cyclus die een perfecte warmtemotor beschrijft. Alle echte warmtemotoren zijn imperfecte benaderingen van de theoretische perfectie belichaamd door de Carnot-cyclus. In de Carnot-cyclus wordt niet alle warmte-energie omgezet in mechanisch werk, maar een groot deel is - het grootste deel toegestaan ​​door de fysische wet.

Een warmtemotor produceert werk uit het temperatuurverschil van twee reservoirs. In een verbrandingsmotor is het ene reservoir de warmte die in de motor wordt gecreëerd ( bron ) en het andere is de externe omgeving ( gootsteen ). De warmte die wordt gegenereerd door de bron zorgt ervoor dat het gas in de cilinder uitzet, waardoor een zuiger wordt aangedreven die wel werkt. De thermodynamische toestand van het gas - expanderend, maar met een constante temperatuur - wordt isotherm genoemd .

Uiteindelijk wordt de warmtebron verwijderd en stopt het gas zo snel te expanderen. Als de hitte continu aan zou blijven, zou de cilinder exploderen. Het gas begint zijn temperatuur te verliezen naarmate het zijn maximale volume bereikt en werkt niet meer op de zuiger. Dit wordt de adiabatische expansie van het gas genoemd. Vervolgens keert de zuiger de koers om, waarbij het gas wordt samengedrukt, totdat het een maximale temperatuur en fysieke weerstand begint te bereiken vanwege de hitte die het bevat, waardoor het systeem weer in de uitgangstoestand wordt gebracht. Dan begint de cyclus opnieuw.

Er zijn veel verschillende soorten warmtemotoren. Alle werken op de bekende temperatuurgradiënt tussen een bron en een gootsteen. Om de efficiëntie van warmtemotoren te maximaliseren, moeten ze goed worden geïsoleerd. In de meeste motoren die tegenwoordig worden gebruikt, blijft het gas een gas gedurende de cyclus, maar in stoommachines treedt een faseverandering op tussen vloeistof en gas.

In een perfecte Carnot-cyclus gebeuren alle vier stappen heel langzaam, om de entropie, of thermodynamische onomkeerbaarheid, die door het proces wordt gecreëerd, te minimaliseren. In werkelijkheid gaan de stappen snel vooruit en wordt entropie gegenereerd, wat betekent dat de cyclus niet eeuwig kan doorgaan. De wanden van de cilinder gaan achteruit, warmte van de binnenkant van de motor gaat verloren aan externe omgevingen, enzovoort. De Carnot-cyclus kan in omgekeerde volgorde worden uitgevoerd om een ​​koelkast te maken.