Co to jest cykl cieplny Carnota?

Cykl cieplny Carnota, bardziej właściwie nazywany cyklem Carnota, jest wyidealizowanym cyklem termodynamicznym, który służy do określenia maksymalnej możliwej wydajności silnika cieplnego pracującego między dwiema danymi temperaturami. Jest wykorzystywany do celów teoretycznych, ale nie może faktycznie działać w systemach fizycznych. Chociaż teoretycznie można by zbudować silnik działający w pobliżu maksymalnej wydajności, wymiana ciepła w cyklu jest zbyt wolna, aby był praktycznym systemem. Główna wartość cyklu Carnota polega na ustaleniu maksymalnej wydajności dla innych typów silników cieplnych.

Przy konstruowaniu cyklu grzewczego Carnota przyjęto dwa założenia, aby zapewnić mu maksymalną możliwą wydajność - wszystkie procesy są odwracalne i nie ma zmian w entropii. Proces odwracalny to taki, który można przywrócić do pierwotnego stanu bez utraty energii. Entropia to ilość energii w systemie, która jest niedostępna do pracy. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ilość entropii w systemie musi wzrosnąć lub pozostać taka sama, gdy zachodzi proces. Żadnego z tych założeń nie można spełnić w warunkach naturalnych, ale są one przydatne do określenia maksymalnej wydajności.

Cztery procesy powtarzają się w cyklu grzewczym Carnota. Pierwszy to ekspansja izotermiczna . „Izoterma” oznacza, że ​​temperatura pozostaje taka sama przez cały proces. Podczas tego zwiększa się objętość i maleje ciśnienie, a energia jest dodawana do systemu.

Kolejny proces znany jako ekspansja adiabatyczna . W procesach adiabatycznych system nie zyskuje ani nie traci ciepła. Zmiany temperatury występują z powodu zmian ciśnienia i objętości. W tym konkretnym etapie ciśnienie zmniejsza się, a objętość zwiększa się w celu obniżenia temperatury.

Trzeci to kompresja izotermiczna . Ciśnienie wzrasta, a objętość maleje podczas tego procesu, a energia jest usuwana z układu. Na koniec wykonywana jest kompresja adiabatyczna, aby przywrócić system do pierwotnego stanu. Zwiększono ciśnienie i zmniejszono objętość w celu zwiększenia temperatury.

Ze względu na założenie, że entropia nie ulega zmianie podczas cyklu Carnota, można ją wykonywać bez końca i utrzymywać tę samą ilość energii za każdym razem, gdy powróci do pierwotnego stanu. Jednak w tym wyidealizowanym systemie nadal istnieje pewna entropia, co oznacza, że ​​nie może być w 100% sprawna. Rzeczywistą efektywność cyklu grzewczego Carnota można obliczyć przy użyciu jego temperatury maksymalnej i minimalnej, na skali temperatury absolutnej lub Kelvina (K). W tym równaniu temperatura minimalna jest odejmowana od wartości maksymalnej, a następnie liczba ta jest dzielona przez temperaturę maksymalną.