The Carnotův stroj je to ideální cyklický model, ve kterém se k práci používá teplo. Systém lze chápat jako píst, který se pohybuje uvnitř válce stlačujícího plyn. Procvičovaným cyklem je Carnot, který vyprávěl otec termodynamiky, francouzský fyzik a inženýr Nicolas Léonard Sadi Carnot..
Carnot vyslovil tento cyklus na počátku devatenáctého století. Stroj je vystaven čtyřem změnám stavu, střídavým podmínkám, jako je teplota a konstantní tlak, kde se při stlačování a expanzi plynu projevuje změna objemu.
Rejstřík článků
Podle Carnota je možné dosáhnout maximálního výkonu podrobením ideálního stroje změnám teploty a tlaku.
Carnotův cyklus musí být analyzován samostatně v každé ze svých čtyř fází: izotermická expanze, adiabatická expanze, izotermická komprese a adiabatická komprese..
Níže budou uvedeny vzorce spojené s každou z fází cyklu prováděného v Carnotově stroji..
Prostory této fáze jsou následující:
- Objem plynu: přechází z minimálního na střední objem.
- Teplota stroje: konstantní teplota T1, vysoká hodnota (T1> T2).
- Tlak stroje: klesá z P1 na P2.
Izotermický proces znamená, že teplota T1 se během této fáze nemění. Přenos tepla indukuje expanzi plynu, která indukuje pohyb na pístu a vytváří mechanickou práci.
Jak plyn expanduje, má tendenci ochlazovat. Absorbuje však teplo emitované zdrojem teploty a během jeho expanze udržuje konstantní teplotu..
Vzhledem k tomu, že teplota během tohoto procesu zůstává konstantní, nemění se vnitřní energie plynu a veškeré teplo absorbované plynem se efektivně přemění na práci. A) Ano:
Na konci této fáze cyklu je také možné získat hodnotu tlaku pomocí rovnice ideálního plynu. Máme tedy následující:
V tomto výrazu:
Pdva: Tlak na konci fáze.
PROTIb: Objem v bodě b.
n: Počet molů plynu.
A: Univerzální konstanta ideálních plynů. R = 0,082 (atm * litr) / (mol * K).
T1: Absolutní počáteční teplota, stupně Kelvina.
Během této fáze procesu dochází k expanzi plynu bez nutnosti výměny tepla. Prostory jsou tedy podrobně popsány níže:
- Objem plynu: přechází ze středního na maximální objem.
- Teplota stroje: klesá z T1 na T2.
- Tlak stroje: konstantní tlak P2.
Z adiabatického procesu vyplývá, že tlak P2 se během této fáze nemění. Teplota klesá a plyn pokračuje v expanzi, dokud nedosáhne svého maximálního objemu; to znamená, že píst dosáhne dorazu.
V tomto případě pochází práce z vnitřní energie plynu a její hodnota je záporná, protože energie během tohoto procesu klesá..
Za předpokladu, že se jedná o ideální plyn, teorie tvrdí, že molekuly plynu mají pouze kinetickou energii. Podle principů termodynamiky to lze odvodit následujícím vzorcem:
V tomto vzorci:
∆Ub → c: Variace vnitřní energie ideálního plynu mezi body b a c.
n: Počet molů plynu.
Cv: Molární tepelná kapacita plynu.
T1: Počáteční absolutní teplota, stupně Kelvina.
T2: Absolutní konečná teplota, stupně Kelvina.
V této fázi začíná komprese plynu; to znamená, že píst se pohybuje do válce, se kterým plyn stahuje svůj objem.
Podmínky spojené s touto fází procesu jsou podrobně popsány níže:
- Objem plynu: přechází z maximálního na střední objem.
- Teplota stroje: konstantní teplota T2, snížená hodnota (T2 < T1).
- Tlak stroje: zvyšuje se z P2 na P1.
Zde se zvyšuje tlak na plyn, takže začne stlačovat. Teplota však zůstává konstantní, a proto je variace vnitřní energie plynu nulová.
Analogicky k izotermické expanzi se vykonaná práce rovná teplu systému. A) Ano:
Je také možné najít tlak v tomto bodě pomocí rovnice ideálního plynu.
Je to poslední fáze procesu, ve které se systém vrátí do původních podmínek. Z tohoto důvodu se berou v úvahu následující podmínky:
- Objem plynu: přechází ze středního objemu na minimální objem.
- Teplota stroje: stoupá z T2 na T1.
- Tlak stroje: konstantní tlak P1.
Zdroj tepla zabudovaný do systému v předchozí fázi je odstraněn, takže ideální plyn zvýší svoji teplotu, dokud tlak zůstane konstantní..
Plyn se vrací do počátečních teplotních podmínek (T1) a do svého objemu (minimální). Opět platí, že práce pochází z vnitřní energie plynu, takže musíte:
Podobně jako v případě adiabatické expanze je možné získat variaci energie plynu pomocí následujícího matematického výrazu:
Carnotův motor pracuje jako motor, ve kterém je výkon maximalizován různými izotermickými a adiabatickými procesy, střídáním fází expanze a komprese ideálního plynu..
Mechanismus lze chápat jako ideální zařízení, které provádí práci vystavenou teplotním změnám, vzhledem k existenci dvou zdrojů teploty.
V prvním ohnisku je systém vystaven teplotě T1. Jedná se o vysokou teplotu, která zatěžuje systém a způsobuje expanzi plynu..
To se zase promítne do provedení mechanické práce, která umožňuje mobilizaci pístu z válce a jejíž zastavení je možné pouze adiabatickou expanzí.
Poté přichází druhé ohnisko, ve kterém je systém vystaven teplotě T2, nižší než T1; to znamená, že mechanismus je vystaven chlazení.
To indukuje extrakci tepla a drcení plynu, který po adiabatické kompresi dosáhne svého počátečního objemu..
Carnotův stroj byl široce používán díky svému příspěvku k pochopení nejdůležitějších aspektů termodynamiky.
Tento model umožňuje jasné pochopení variací ideálních plynů podléhajících změnám teploty a tlaku, což z něj činí referenční metodu při konstrukci skutečných motorů..
Zatím žádné komentáře