Κύκλος Carnot | Τα σημαντικά χαρακτηριστικά του μαζί με 17 συχνές ερωτήσεις.

CARNOT CYCLE

Νικόλας Λεονάρντ Σάντι-Καρνό, ένας Γάλλος μηχανικός μηχανικός, Επιστήμονας και φυσικός, εισήγαγε μια μηχανή θερμότητας που είναι γνωστή ως η Carnot Engine στο βιβλίο «Reflections on the Motive Power of Fire». Οδηγεί στο να είναι το θεμέλιο του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής και της εντροπίας. Η συνεισφορά του Carnot περιέχει μια παρατήρηση που του έδωσε τον τίτλο «Πατέρας της Θερμοδυναμικής.

Πίνακας Περιεχομένων

Κύκλος Carnot στη θερμοδυναμική | αρχή λειτουργίας του κύκλου Carnot | ιδανικός κύκλος Carnot | Θερμοδυναμική κύκλου Carnot | Ορισμός κύκλου Carnot | Αρχή λειτουργίας κύκλου Carnot | τυποποιημένος κύκλος Carnot | Ο κύκλος Carnot είναι αναστρέψιμος.

Ο κύκλος Carnot είναι ο θεωρητικός κύκλος που λειτουργεί κάτω από δύο θερμικές δεξαμενές (Th & Tc) που υφίστανται συμπίεση και επέκταση ταυτόχρονα.

Αποτελείται από τέσσερις αναστρέψιμες διαδικασίες, εκ των οποίων οι δύο είναι ισοθερμικές, δηλαδή, σταθερή θερμοκρασία ακολουθούμενες εναλλάξ από δύο αναστρέψιμες αδιαβατικές διεργασίες.

Το μέσο εργασίας που χρησιμοποιείται στον κύκλο Sadi-Carnot είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας. 

Η προσθήκη θερμότητας και η απόρριψη θερμότητας πραγματοποιούνται σε σταθερή θερμοκρασία, αλλά δεν λαμβάνεται υπόψη αλλαγή φάσης.

Carnot κύκλος
Carnot κύκλος

Σημασία του κύκλου Carnot

Η εφεύρεση του Carnot κύκλος ήταν ένα πολύ μεγάλο βήμα στην ιστορία της θερμοδυναμικής. Πρώτον, έδωσε τη θεωρητική λειτουργία του κινητήρα θερμότητας που χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό ενός πραγματικού κινητήρα θερμότητας. Στη συνέχεια, αντιστρέφοντας τον κύκλο, έχουμε το ψυκτικό αποτέλεσμα (αναφέρεται παρακάτω). 

Ο κύκλος Carnot λειτουργεί μεταξύ δύο θερμικών δεξαμενών (Th & Τc), και η αποτελεσματικότητά του εξαρτάται μόνο από αυτήν τη θερμοκρασία και δεν εξαρτάται από τον τύπο υγρού. Αυτό είναι ότι η απόδοση του κύκλου του Carnot είναι ανεξάρτητη από τα υγρά.

Διάγραμμα pv κύκλου Carnot | Διάγραμμα κύκλου Carnot | διάγραμμα pv και ts του κύκλου Carnot | Κύκλος Carnot pv ts | Γράφημα κύκλου Carnot | Το διάγραμμα pv του κύκλου Carnot εξήγησε | Εξήγησε το διάγραμμα κύκλου Carnot

PV Carnot
TS Carnot

Διαδικασία 1-2: Ισοθερμική επέκταση

Σε αυτή τη διαδικασία, ο αέρας διογκώνεται με σταθερή θερμοκρασία ενώ παράλληλα λαμβάνει θερμότητα. 

Δηλαδή, πραγματοποιείται προσθήκη θερμότητας σταθερής θερμοκρασίας. 

Επέκταση => πίεση ↑ => αποτελέσματα Θερμοκρασία ↓

Προσθήκη θερμότητας => Θερμοκρασία ↑

Ως εκ τούτου, η θερμοκρασία παραμένει σταθερή 

Διαδικασία 2-3: Αναστρέψιμη αδιαβατική επέκταση 

Σε αυτή τη διαδικασία, ο αέρας διογκώνεται, διατηρώντας την εντροπία σταθερή και χωρίς θερμική αλληλεπίδραση. 

Αυτό δεν είναι καμία αλλαγή στην εντροπία και το σύστημα είναι μονωμένο

Έχουμε παραγωγή εργασίας σε αυτήν τη διαδικασία

Διαδικασία 3-4: ισοθερμική συμπίεση

Σε αυτή τη διαδικασία, ο αέρας συμπιέζεται με μια σταθερή θερμοκρασία ενώ χάνει θερμότητα.

Δηλαδή, πραγματοποιείται συνεχής απόρριψη θερμότητας θερμοκρασίας.

Συμπίεση => πίεση ↓ => αποτελέσματα: Θερμοκρασία ↑

Προσθήκη θερμότητας => Θερμοκρασία ↓

Ως εκ τούτου, η θερμοκρασία παραμένει σταθερή 

Διαδικασία 4-1: Αναστρέψιμη αδιαβατική συμπίεση

Σε αυτή τη διαδικασία, ο αέρας συμπιέζεται, διατηρώντας την εντροπία σταθερή και χωρίς θερμική αλληλεπίδραση. 

Αυτό δεν είναι καμία αλλαγή στην εντροπία και το σύστημα είναι μονωμένο

Παρέχουμε εργασία σε αυτήν τη διαδικασία

Ο κύκλος Carnot αποτελείται από | Διάγραμμα κύκλου Carnot | Βήματα κύκλου Carnot | 4 στάδια του κύκλου Carnot | Εργασία κύκλου Carnot | ισοθερμική επέκταση στον κύκλο Carnot | Πείραμα κύκλου Carnot

Διαδικασία 1-2:

Η διαδικασία διαστολής πραγματοποιείται όπου η θερμοκρασία Th διατηρείται σταθερή και προστίθεται θερμότητα (Qh) στο σύστημα. Η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή ως εξής: Η αύξηση της θερμοκρασίας λόγω της προσθήκης θερμότητας αντισταθμίζεται από τη μείωση της θερμοκρασίας λόγω της διαστολής. 

Ως εκ τούτου, η διεργασία που πραγματοποιήθηκε έχει τόσο σταθερή θερμοκρασία όσο η θερμοκρασία έναρξης και λήξης της διαδικασίας είναι ίδια.

Ισοθερμική επέκταση
Ισοθερμική επέκταση

Διαδικασία 2-3:

Όπως μπορούμε να δούμε, η διαδικασία είναι αναστρέψιμη (αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια = 0) Αδιαβατική (μόνο μεταφορά εργασίας, χωρίς εμπλοκή θερμότητας), η επέκταση που πραγματοποιείται απλώς οδηγεί σε αλλαγή θερμοκρασίας (από Th σε Tc), διατηρώντας την εντροπία σταθερή . 

Το σύστημα ενεργεί ως μονωμένο για αυτό το μέρος της επέκτασης. 

Πραγματοποιείται λογική ψύξη.

Αναστρέψιμη Αδιαβατική επέκταση
Αναστρέψιμη Αδιαβατική επέκταση

Διαδικασία3-4:

Η διαδικασία συμπίεσης πραγματοποιείται όπου η θερμοκρασία Tc διατηρείται σταθερή και η θερμότητα απομακρύνεται από το σύστημα. Η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή ως εξής: Η μείωση της θερμοκρασίας λόγω απόρριψης θερμότητας αντισταθμίζεται από την αύξηση της θερμοκρασίας λόγω συμπίεσης. 

Ως εκ τούτου, η διεργασία που πραγματοποιήθηκε έχει τόσο σταθερή θερμοκρασία όσο η θερμοκρασία έναρξης και λήξης της διαδικασίας είναι ίδια.

Παρόμοια με τις διεργασίες 1-2 αλλά με τον ακριβώς αντίθετο τρόπο.

Ισοθερμική συμπίεση
Ισοθερμική συμπίεση

Διαδικασία 4-1:

Όπως μπορούμε να δούμε, η διαδικασία είναι αναστρέψιμη (αλλαγή εσωτερικής ενέργειας = 0) Αδιαβατική (μόνο μεταφορά εργασίας, χωρίς εμπλοκή θερμότητας), η συμπίεση που πραγματοποιείται απλώς οδηγεί σε αλλαγή θερμοκρασίας (από Tc σε Th), διατηρώντας την εντροπία σταθερή . 

Το σύστημα ενεργεί ως μονωμένο για αυτό το μέρος της συμπίεσης. 

Γίνεται αισθητή θέρμανση.

Αναστρέψιμη αδιαβατική συμπίεση

Εξισώσεις κύκλου Carnot | Παραγωγή κύκλου Carnot

Διαδικασία 1-2: Ισοθερμική επέκταση

ως Τh διατηρείται σταθερό. [Εσωτερική ενέργεια (du) = 0] (PV = K)

Qh = Δ,

επομένως, W = \ int_ {V_ {1}} ^ {V_ {2}} PdV

P = \ frac {Κ} {V}

W = K \ int_ {V_ {1}} ^ {V_ {2}} \ frac {dV} {V}

W = P_ {1} V_ {1} \ int_ {V_ {1}} ^ {V_ {2}} \ frac {dV} {V}

W = P_ {1} V_ {1} \ αριστερά (ln \ frac {V_ {2}} {V_ {1}} \ δεξιά)

W = mRT_ {h} \ αριστερά (ln \ frac {V_ {2}} {V_ {1}} \ δεξιά)

Διαδικασία 2-3: Αναστρέψιμη αδιαβατική επέκταση

PV ^ {\ gamma} = Κ

W = \ int_ {V_ {2}} ^ {V_ {3}} PdV

PV ^ {\ gamma} = Κ

επομένως W = K \ int_ {V_ {2}} ^ {V_ {3}} \ frac {dV} {V ^ {\ gamma}}

W = P_ {2} V ^ {\ gamma} _ {2} \ int_ {V_ {2}} ^ {V_ {3}} \ frac {dV} {V ^ {\ gamma}}

W = P_ {2} V ^ {\ gamma} _ {2} \ int_ {V_ {2}} ^ {V_ {3}} {V ^ {- \ gamma} {dV}}

W = K \ int_ {V_ {2}} ^ {V_ {3}} {V ^ {- \ gamma} {dV}}

W = K \ αριστερά [\ frac {V ^ {1- \ gamma}} {1- \ gamma} \ δεξιά] _ {2} ^ {3}

PV ^ {\ gamma} = K = P_ {2} V_ {2} ^ {\ gamma} = P _ {_ {3}} V_ {3} ^ {\ gamma}

W = \ αριστερά [\ frac {P_ {3} V ^ {\ gamma} _ {3} V_ {3} ^ {1- \ gamma} -P_ {2} V ^ {\ gamma} _ {2} V_ { 2} ^ {1- \ gamma}} {1- \ gamma} \ δεξιά]

W = \ αριστερά [\ frac {P_ {3} V_ {3} -P_ {2} V_ {2}} {1- \ gamma} \ δεξιά]

Επίσης

P_ {2} V_ {2} ^ {\ gamma} = P _ {_ {3}} V_ {3} ^ {\ gamma} = Κ

\ αριστερά [\ frac {T_ {2}} {T_ {3}} \ δεξιά] = \ αριστερά [\ frac {V_ {3}} {V_ {2}} \ δεξιά] ^ {\ gamma -1}

Καθώς η διαδικασία είναι Αδιαβατική, Q = 0
επομένως W = -du

Διαδικασία 3-4: ισοθερμική συμπίεση

παρόμοια με τη διαδικασία 1-2, μπορούμε να πάρουμε

ως Τc διατηρείται σταθερό. [Εσωτερική ενέργεια (du) = 0] (PV = K)

Qc = W,

W = P_ {3} V_ {3} \ αριστερά (ln \ frac {V_ {3}} {V_ {4}} \ δεξιά)

W = mRT_ {c} \ αριστερά (ln \ frac {V_ {3}} {V_ {4}} \ δεξιά)

Διαδικασία 4-1: Αναστρέψιμη αδιαβατική συμπίεση

παρόμοια με τη διαδικασία 2-3, μπορούμε να πάρουμε

W = \ αριστερά [\ frac {P_ {1} V_ {1} -P_ {4} V_ {4}} {1- \ gamma} \ δεξιά]

P_ {4} V_ {4} ^ {\ gamma} = P _ {{1}} V {1} ^ {\ gamma} = Κ

\ αριστερά [\ frac {T_ {1}} {T_ {4}} \ δεξιά] = \ αριστερά [\ frac {V_ {4}} {V_ {1}} \ δεξιά] ^ {\ gamma -1}

Η εργασία κύκλου Carnot έγινε παράγωγο

Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής

Wκαθαρά = Qσύνολο

Wκαθαρά = Qh-Qc

Wκαθαρά = mRT_ {h} \ αριστερά (ln \ frac {V_ {2}} {V_ {1}} \ δεξιά) - mRT_ {c} \ αριστερά (ln \ frac {V_ {3}} {V_ {4}} \ δεξιά )

Παράγωγη εντροπίας από τον κύκλο του καρότου | αλλαγή εντροπίας στον κύκλο καρωτί | αλλαγή στον κύκλο της εντροπίας carnot | προέλευση της εντροπίας από τον κύκλο του καρότου | αλλαγή εντροπίας στον κύκλο του carnot

Για να κάνετε τον κύκλο αναστρέψιμο, η αλλαγή στην εντροπία είναι μηδέν (du = 0).

ds = \ frac {\ delta Q} {T} \ + \ S_ {gen}

S_ {gen} \ = \ 0 \, \ για \ αναστρέψιμη \ διαδικασία

αυτό σημαίνει,

\ frac {\ delta Q} {T} = \ 0 \, \ για \ αναστρέψιμη \ διαδικασία


ds = \ frac {\ delta Q} {T} \ = \ frac {\ delta Q_h} {T_h} + \ frac {\ delta Q_c} {T_c} = 0

Για διαδικασία: 1-2

ds_ {1-2} = \ frac {mR \ T_ {h} \ ln \ αριστερά (\ frac {P_ {1}} {P_ {2}} \ δεξιά)} {T_h}

ds_ {1-2} = m R \ ln \ αριστερά (\ frac {P_ {1}} {P_ {2}} \ δεξιά)

Για διαδικασία: 1-2

ds_ {3-4} = - \ frac {mR \ T_ {c} \ ln \ αριστερά (\ frac {P_ {3}} {P_ {4}} \ δεξιά)} {T_c}


ds_ {3-4} = \ frac {mR \ T_ {c} \ ln \ αριστερά (\ frac {P_ {4}} {P_ {3}} \ δεξιά)} {T_c}

ds_ {3-4} = - m R \ ln \ αριστερά (\ frac {P_ {3}} {P_ {4}} \ δεξιά)

ds_ {3-4} = m R \ ln \ αριστερά (\ frac {P_ {4}} {P_ {3}} \ δεξιά)

d_s = ds_ {1-2} \ + \ ds_ {3-4} = 0

αποδοτικότητα κύκλου carnot | υπολογισμός απόδοσης κύκλου carnot | εξίσωση απόδοσης κύκλου carnot | τύπος απόδοσης κύκλου carnot | απόδειξη απόδοσης κύκλου carnot | μέγιστη απόδοση κύκλου carnot | η απόδοση του κύκλου carnot είναι μέγιστη όταν | μέγιστη απόδοση του κύκλου carnot

Η απόδοση του κύκλου Carnot έχει τη μέγιστη απόδοση λαμβάνοντας υπόψη το Τh ως η θερμή δεξαμενή και Τc ως ψυχρή δεξαμενή για την εξάλειψη τυχόν απωλειών.

Πρόκειται για μια αναλογία της ποσότητας εργασίας που πραγματοποιείται από τον κινητήρα θερμότητας προς την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται από τη μηχανή θερμότητας.

\ mathbf {\ eta = \ frac {Net \ work \ done \ by \ Heat \ engine} {θερμότητα \ απορροφάται \ από \ heat \ engine}}


\ eta = \ frac {Q_ {h} - Q_ {c}} {Q_ {h}}


\ eta = 1- \ frac {Q_ {c}} {Q_ {h}}

\ eta = 1- \ frac {mRT_ {c} \ αριστερά (ln \ frac {V_ {3}} {V_ {4}} \ δεξιά)} {mRT_ {h} \ αριστερά (ln \ frac {V_ {2} } {V_ {1}} \ δεξιά)}

Από την παραπάνω εξίσωση γνωρίζουμε,

\ αριστερά [\ frac {T_ {1}} {T_ {4}} \ δεξιά] = \ αριστερά [\ frac {V_ {4}} {V_ {1}} \ δεξιά] ^ {\ gamma -1}

&

\ αριστερά [\ frac {T_ {2}} {T_ {3}} \ δεξιά] = \ αριστερά [\ frac {V_ {3}} {V_ {2}} \ δεξιά] ^ {\ gamma -1}

αλλά
\ αριστερά T_1 = T_2 = T_h
\ αριστερά T_3 = T_4 = T_c

\ frac {V_ {2}} {V_ {1}} = \ frac {V_ {3}} {V_ {4}}

\ eta = 1- \ frac {T_ {c}} {T_ {h}}

Μπορούμε να έχουμε απόδοση 100% εάν απορρίψουμε τη θερμότητα στα 0 k (Tc = 0)

Η Carnot διατηρεί τη μέγιστη απόδοση όλων των κινητήρων που λειτουργούν υπό την ίδια θερμική δεξαμενή με τον κύκλο Carnot αναστρέψιμο, κάνοντας παραδοχές για την εξάλειψη όλων των απωλειών και κάνοντας τον κύκλο έναν κύκλο χωρίς τριβή, ο οποίος δεν είναι ποτέ εφικτός στην πράξη.

Ως εκ τούτου, όλοι οι πρακτικοί κύκλοι θα έχουν απόδοση μικρότερη από την απόδοση Carnot.

Αντίστροφος κύκλος carnot | τον αντίστροφο κύκλο carnot | αντίστροφος κύκλος ψύξης carnot

Αντίστροφος κύκλος Carnot:

Δεδομένου ότι όλες οι διεργασίες που πραγματοποιούνται στον κύκλο Carnot είναι αναστρέψιμες, μπορούμε να το κάνουμε να λειτουργεί με αντίστροφο τρόπο, δηλαδή να λαμβάνουμε θερμότητα από το σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας και να απορρίπτεται σε σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας, καθιστώντας τον κύκλο ψύξης.

.

Αντίστροφος κύκλος Carnot
Αντίστροφος κύκλος Carnot
Κύκλος φωτοβολταϊκών αντιστροφών
Κύκλος φωτοβολταϊκών αντιστροφών
TS Reversed Carnot κύκλος
TS Reversed Carnot κύκλος

Διαδικασία 1-2: Αναστρέψιμη αδιαβατική επέκταση 

Σε αυτή τη διαδικασία, ο αέρας διογκώνεται, η θερμοκρασία μειώνεται σε Tc, διατηρώντας την εντροπία σταθερή και χωρίς θερμική αλληλεπίδραση. 

Αυτό δεν είναι καμία αλλαγή στην εντροπία και το σύστημα είναι μονωμένο

Διαδικασία 2-3: Ισοθερμική επέκταση

Σε αυτή τη διαδικασία, ο αέρας διογκώνεται με σταθερή θερμοκρασία ενώ παράλληλα λαμβάνει θερμότητα. Η θερμότητα αυξάνεται από την ψύκτρα σε χαμηλή θερμοκρασία. Η προσθήκη θερμότητας πραγματοποιείται ενώ διατηρείται η θερμοκρασία (Tc) διατηρείται σταθερή. 

Διαδικασία 3-4: Αναστρέψιμη αδιαβατική συμπίεση

Σε αυτή τη διαδικασία, ο αέρας συμπιέζεται, αυξάνοντας τη θερμοκρασία σε Th, διατηρώντας την εντροπία σταθερή και χωρίς θερμική αλληλεπίδραση. 

Αυτό δεν είναι καμία αλλαγή στην εντροπία και το σύστημα είναι μονωμένο

Διαδικασία 4-1: ισοθερμική συμπίεση

Σε αυτήν τη διαδικασία, ο αέρας συμπιέζεται με μια σταθερή θερμοκρασία ενώ χάνει θερμότητα. Η θερμότητα απορρίπτεται στη θερμή δεξαμενή. Η απόρριψη θερμότητας λαμβάνει χώρα ενώ διατηρείται η θερμοκρασία (Th) διατηρείται σταθερή. 

Αντίστροφη απόδοση κύκλου carnot

Η αποδοτικότητα του αντιστρεφόμενου κύκλου Carnot ονομάζεται Συντελεστής απόδοσης.

Το COP ορίζεται ως ο λόγος της επιθυμητής εξόδου προς την παρεχόμενη ενέργεια.

COP = \ frac {Επιθυμητό \ Έξοδος} {Ενέργεια \ Παρέχεται}

Κύκλος ψύξης Carnot | αποδοτικότητα κύκλου ψύξης carnot | συντελεστής απόδοσης κύκλου ψύξης carnot | αποδοτικότητα ψυγείου κύκλου carnot

Ο κύκλος ψύξης λειτουργεί σε αντίστροφο κύκλο Carnot. Ο κύριος στόχος αυτού του κύκλου είναι η μείωση της θερμοκρασίας της πηγής θερμότητας / της θερμής δεξαμενής.

COP = \ frac {Επιθυμητό \ Έξοδος} {Energy \ Supplied} = \ frac {Q_ {c}} {W ^ {_ {net}}}

COP = \ frac {Q_c} {Q_h-Q_c} = \ frac {Q_c} {Q_h} -1

 Εφαρμογή: Σύστημα κλιματισμού, ψύξης

Αντλία θερμότητας κύκλου Carnot

Η αντλία θερμότητας λειτουργεί σε αντίστροφο κύκλο Carnot. Ο κύριος στόχος της αντλίας θερμότητας είναι η μετάδοση θερμότητας από το ένα σώμα στο άλλο, κυρίως από το σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας στο σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας με τη βοήθεια της παρεχόμενης εργασίας.

COP = \ frac {Επιθυμητό \ Έξοδος} {Energy \ Supplied} = \ frac {Q_ {c}} {W ^ {_ {net}}}

COP = \ frac {Επιθυμητό \ Έξοδος} {Energy \ Supplied} = \ frac {Q_ {h}} {W ^ {_ {net}}}

COP = \ frac {Q_h} {Q_h-Q_c} = 1- \ frac {Q_h} {Q_c}

COP_ {HP} = COP_ {REF} +1

Σύγκριση του κύκλου carnot και του rankine | διαφορά μεταξύ του carnot και του κύκλου του rankine

 Σύγκριση:

ΠαράμετροςCarnot κύκλοςΚύκλος Rankine
ορισμόςΟ κύκλος Carnot είναι ένας ιδανικός θερμοδυναμικός κύκλος που λειτουργεί κάτω από δύο θερμικές δεξαμενές.Ο κύκλος Rankine είναι ένας πρακτικός κύκλος της ατμομηχανής και του στροβίλου
Διάγραμμα TS
Προσθήκη και απόρριψη θερμότηταςΗ προσθήκη θερμότητας και η απόρριψη πραγματοποιούνται σε σταθερή θερμοκρασία. (Ισοθερμική)        Η προσθήκη θερμότητας και η απόρριψη λαμβάνουν χώρα σε σταθερή πίεση (ισοβαρική)
Μέσο εργασίαςΤο μέσο εργασίας στο Carnot είναι ατμοσφαιρικός αέρας. Μονοφασικό σύστημαΤο μέσο εργασίας στο Carnot είναι νερό / ατμός. Χειρίζεται δύο φάσεις
ΑποδοτικότηταΗ απόδοση του Carnot είναι μέγιστη μεταξύ όλων των κύκλων.Η απόδοση του Rankine είναι μικρότερη από την Carnot.
εφαρμογήΟ κύκλος Carnot χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό κινητήρα θερμότητας.Ο κύκλος Rankine χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό ατμομηχανής / στροβίλου.
Σύγκριση Carnot Vs Rankine

Διαφορά μεταξύ κύκλου otto και κύκλου carnot

ΠαράμετροςCarnot κύκλοςΚύκλος Otto
ορισμόςΟ κύκλος Carnot είναι ένας ιδανικός θερμοδυναμικός κύκλος που λειτουργεί κάτω από δύο θερμικές δεξαμενές.Ο κύκλος Otto είναι ένας ιδανικός κύκλος θερμοδυναμικής καύσης.
Διάγραμμα Ts
διεργασίεςΔύο ισοθερμικά και δύο ισοτροπικάΔύο ισοχορικά και δύο ισοτροπικά.
Προσθήκη και απόρριψη θερμότηταςΗ προσθήκη θερμότητας και η απόρριψη πραγματοποιούνται σε σταθερή θερμοκρασία. (Ισοθερμική)Η θερμότητα παράγεται σε σταθερό όγκο και απορρίπτεται στην εξάτμιση. Δεν απαιτείται εξωτερική πηγή θερμότητας. Παράγει θερμότητα με χημικές διεργασίες που είναι η καύση ενός μίγματος αέρα βενζίνης με βοηθητικό μπουζί σε υψηλή πίεση.
Μέσο εργασίαςΤο μέσο εργασίας στο Carnot είναι ατμοσφαιρικός αέρας.Χρησιμοποιείται μείγμα βενζίνης και αέρα.
ΑποδοτικότηταΗ απόδοση του Carnot είναι μέγιστη μεταξύ όλων των κύκλων.Ο κύκλος Otto έχει λιγότερη απόδοση από τον κύκλο Carnot.
εφαρμογήΟ κύκλος Carnot χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό κινητήρα θερμότητας.Ο κύκλος Otto χρησιμοποιείται για κινητήρα εσωτερικής καύσης SI.
Σύγκριση Carnot εναντίον Otto

Ο κύκλος Carnot είναι μη αναστρέψιμος

Όταν ο κύκλος Carnot εκτελείται στο Adiabatic και όχι στο αναστρέψιμο adiabatic, εμπίπτει στην κατηγορία του μη αναστρέψιμου κύκλου Carnot.

Η εντροπία δεν διατηρείται σταθερή στη διαδικασία 2-3 και 4-1, (το ds δεν ισούται με το μηδέν)

όπως φαίνεται παρακάτω:

Μη αναστρέψιμος κύκλος Carnot
Μη αναστρέψιμος κύκλος Carnot

Τα προϊόντα εργασίας υπό μη αναστρέψιμο κύκλο είναι συγκριτικά λιγότερο από τον αναστρέψιμο κύκλο Carnot

Ως εκ τούτου, η αποτελεσματικότητα του μη αναστρέψιμου κύκλου Carnot είναι μικρότερη από τον αναστρέψιμο κύκλο Carnot.

Γιατί ο κύκλος Carnot είναι αναστρέψιμος

Σύμφωνα με τον Carnot, ο κύκλος Carnot είναι ένας θεωρητικός κύκλος που παρέχει τη μέγιστη απόδοση. Για να επιτύχουμε αυτήν τη μέγιστη απόδοση, πρέπει να εξαλείψουμε όλες τις απώλειες και να θεωρήσουμε το σύστημα αναστρέψιμο.

Εάν λάβουμε υπόψη τυχόν απώλειες, ο κύκλος θα εμπίπτει στην μη αναστρέψιμη κατηγορία και δεν θα παρέχει τη μέγιστη απόδοση.

Αναλογία όγκου κύκλου Carnot

\ αριστερά [\ frac {T_ {1}} {T_ {4}} \ δεξιά] = \ αριστερά [\ frac {V_ {4}} {V_ {1}} \ δεξιά] ^ {\ gamma -1}
&

\ αριστερά [\ frac {T_ {2}} {T_ {3}} \ δεξιά] = \ αριστερά [\ frac {V_ {3}} {V_ {2}} \ δεξιά] ^ {\ gamma -1}

αλλά
\ αριστερά T_1 = T_2 = T_h

\ αριστερά T_3 = T_4 = T_c

\ frac {V_ {2}} {V_ {1}} = \ frac {V_ {3}} {V_ {4}}

Εξ ου και η αναλογία όγκου διατηρείται σταθερή.

Πλεονεκτήματα του κύκλου carnot

  • Ο κύκλος Carnot είναι ένας ιδανικός κύκλος που δίνει τη μέγιστη απόδοση μεταξύ όλων των διαθέσιμων κύκλων.
  • Ο κύκλος Carnot βοηθά στο σχεδιασμό του πραγματικού κινητήρα για μέγιστη απόδοση.
  • Βοηθά να αποφασιστεί η πιθανότητα δημιουργίας οποιουδήποτε κύκλου. Εφόσον ο Κινητήρας διατηρεί αποδοτικότητα μικρότερη από την Carnot, ο Κινητήρας είναι δυνατός. Διαφορετικά, δεν είναι.

Μειονεκτήματα του κύκλου Carnot

  • Είναι αδύνατη η παροχή θερμότητας και η απόρριψη της θερμότητας σε σταθερή θερμοκρασία χωρίς αλλαγή φάσης στο υλικό εργασίας.
  • Είναι αδύνατο να κατασκευαστεί ένας παλινδρομικός κινητήρας θερμότητας για να ταξιδέψει ένα έμβολο με πολύ αργή ταχύτητα από την αρχή της επέκτασης στη μέση για να ικανοποιήσει την ισοθερμική επέκταση και έπειτα πολύ γρήγορο για να βοηθήσει την αναστρέψιμη αδιαβατική διαδικασία.

Γιατί ο κύκλος Carnot δεν χρησιμοποιείται σε μονάδα παραγωγής ενέργειας

Ο κύκλος Carnot έχει ισοθερμική έως αδιαβατική μετάδοση. Τώρα για να πραγματοποιήσουμε ισοθερμική, πρέπει είτε να κάνουμε τη διαδικασία πολύ αργή είτε να αντιμετωπίσουμε την αλλαγή φάσης. Στη συνέχεια είναι αναστρέψιμο αδιαβατικό, το οποίο πρέπει να πραγματοποιηθεί γρήγορα για να αποφευχθεί η θερμική αλληλεπίδραση.

Ως εκ τούτου, το σύστημα είναι δύσκολο να κατασκευαστεί καθώς ο μισός κύκλος τρέχει πολύ αργός και ο άλλος μισός τρέχει πολύ γρήγορα.

εφαρμογή κύκλου carnot | παράδειγμα κύκλου carnot | εφαρμογή του κύκλου carnot στην καθημερινή ζωή

Θερμικές συσκευές όπως

  • αντλία θερμότητας: για παροχή θερμότητας
  • Ψυγείο: για την παραγωγή ψυκτικού αποτελέσματος με απομάκρυνση της θερμότητας
  • Ατμοστρόβιλος: για παραγωγή ενέργειας, δηλαδή θερμική ενέργεια έως μηχανική ενέργεια.
  • Κινητήρες καύσης: για παραγωγή ενέργειας, δηλαδή θερμική ενέργεια έως μηχανική ενέργεια.

Κύκλος ατμών Carnot | κύκλος ατμού carnot

Στον κύκλο ατμών Carnot ο ατμός λειτουργεί ρευστό

Κύκλος ατμού Carnot
Κύκλος ατμού Carnot
Διαδικασία 1-2: Ισοθερμική επέκτασηΘέρμανση υγρού διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία στο λέβητα.
Διαδικασία 2-3: Αναστρέψιμη αδιαβατική επέκταση Το υγρό διογκώνεται ισοτροπικά, δηλαδή η σταθερά εντροπίας σε μια τουρμπίνα.
Διαδικασία 3-4: ισοθερμική συμπίεσηΣυμπύκνωση υγρού διατηρώντας τη θερμοκρασία σταθερή στον συμπυκνωτή.
Διαδικασία 4-1: Αναστρέψιμη αδιαβατική συμπίεσηΤο υγρό συμπιέζεται ισοτροπικά, δηλαδή η σταθερά εντροπίας και επαναφέρεται στην αρχική του κατάσταση.

Οι πρακτικές του:

1) Δεν είναι δύσκολη η προσθήκη ή η απόρριψη σε σταθερή θερμοκρασία από σύστημα δύο φάσεων, καθώς η διατήρησή του σε σταθερή θερμοκρασία θα διορθώσει τη θερμοκρασία στην τιμή κορεσμού. Αλλά ο περιορισμός της διαδικασίας απόρριψης θερμότητας ή απορρόφησης στο υγρό μικτής φάσης θα επηρεάσει τη θερμική απόδοση του κύκλου.

2) Η αναστρέψιμη αδιαβατική διαδικασία επέκτασης μπορεί να επιτευχθεί με έναν καλά σχεδιασμένο στρόβιλο. Όμως, η ποιότητα του ατμού θα μειωθεί κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Αυτό δεν είναι ευνοϊκό καθώς οι στρόβιλοι δεν μπορούν να χειριστούν ατμό που έχει περισσότερο από 10% υγρού.

3) Η αναστρέψιμη διαδικασία αδιαβατικής συμπίεσης περιλαμβάνει τη συμπίεση ενός μίγματος υγρού - ατμού σε ένα κορεσμένο υγρό. Είναι δύσκολο να ελεγχθεί η διαδικασία συμπύκνωσης με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτευχθεί η κατάσταση 4. Δεν είναι δυνατόν να σχεδιαστεί ένας συμπιεστής που θα χειρίζεται τη μικτή φάση.

ερωτήσεις κύκλου carnot | προβλήματα κύκλου carnot | προβλήματα παραδείγματος κύκλου carnot

Q1.) Κυκλικοί χειριστές κινητήρα θερμότητας μεταξύ πηγής στα 900 K και νεροχύτη στα 380 K. a) ποια θα είναι η αποδοτικότητα; β) τι θα είναι η απόρριψη θερμότητας ανά καθαρό εξάρτημα KW του κινητήρα;

Ans = δίνεται: T_h = 900 \ k T_c = 380 \ k

αποδοτικότητα = 1- \ frac {T_ {c}} {T_ {h}}

\ eta = 1- \ frac {380} {900}

\ eta = 0.5777 = 55.77 %

β) Απόρριψη θερμότητας (Qc) ανά καθαρή έξοδο KW

\ eta = \ frac {W_ {net}} {Q_h}

Q_h = \ frac {W_ {net}} {\ eta} = \ frac {1} {0.5777} = 1.731 \ KW

Q_c = Q_h-W_ {net} = 1.731-1 = 0.731 \ KW

Απόρριψη θερμότητας ανά καθαρή απόδοση KW = 0.731 KW

Q2.) Ο κινητήρας Carnot λειτουργεί με απόδοση 40% με ψύκτρα στους 360 K. ποια θα είναι η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας; Εάν η απόδοση του κινητήρα αυξηθεί στο 55%, ποια θα είναι η επίδραση στη θερμοκρασία της πηγής θερμότητας;

Ans = δίνεται: \ eta = 0.4, \ T_c = 360 \ Κ

\ eta = 1- \ frac {T_ {c}} {T_ {h}}

0.4 = 1- \ frac {360} {T_ {h}}

T_h = 600 \ Κ

If \ eta = 0.55

0.55 = 1- \ frac {360} {T_ {h}}

T_h = 800 \ Κ

Q3.) Ένας κινητήρας Carnot που λειτουργεί με 1.5 kJ θερμότητας στα 360 K και απορρίπτει 420 J θερμότητας. Ποια είναι η θερμοκρασία στο νεροχύτη;

Ans = δεδομένο: Qh= 1500 J, Τh= 360 K, Qc= 420 J

\ eta = 1- \ frac {T_ {c}} {T_ {h}} = 1- \ frac {Q_ {c}} {Q_ {h}}

\ frac {T_ {c}} {T_ {h}} = \ frac {Q_ {c}} {Q_ {h}}

\ frac {T_ {c}} {360} = \ frac {420} {1500}

T_ {c} = \ frac {420} {1500} * 360

T_ {c} = 100.8 \ Κ

Συχνές Ερωτήσεις

Τι είναι μια πρακτική εφαρμογή ενός κύκλου Carnot

  • αντλία θερμότητας: για παροχή θερμότητας
  • Ψυγείο: για την παραγωγή ψυκτικού αποτελέσματος με απομάκρυνση της θερμότητας
  • Ατμοστρόβιλος: για παραγωγή ενέργειας, δηλαδή θερμική ενέργεια έως μηχανική ενέργεια.
  • Κινητήρες καύσης: για παραγωγή ενέργειας, δηλαδή θερμική ενέργεια έως μηχανική ενέργεια.

κύκλος carnot vs κύκλος ανάδευσης

Το Stirling, η διαδικασία ισεντροπικής συμπίεσης του κύκλου Carnot και η διαδικασία ισεντροπικής επέκτασης αντικαθίστανται από μια διαδικασία αναγέννησης σταθερού όγκου. Οι άλλες δύο μέθοδοι είναι ίδιες με τον κύκλο Carnot, είναι η ισοθερμική προσθήκη θερμότητας και απόρριψη.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός κύκλου Carnot και ενός αντίστροφου κύκλου Carnot

Ο απλός κύκλος carnot λειτουργεί ως ανάπτυξη ισχύος ενώ ο αντίστροφος carnot λειτουργεί ως κατανάλωση ενέργειας.

Ο κύκλος Carnot χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό του κινητήρα θερμότητας, ενώ ο αντίστροφος κύκλος χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό αντλίας θερμότητας και συστήματος ψύξης.

Γιατί ο κύκλος carnot είναι πιο αποτελεσματικός από οποιονδήποτε άλλο ιδανικό κύκλο όπως το ιδανικό VCR του otto diesel brayton

Ο κύκλος Carnot λειτουργεί μεταξύ δύο θερμικών δεξαμενών (Th & Τc), και η αποτελεσματικότητά του εξαρτάται μόνο από αυτήν τη θερμοκρασία και δεν εξαρτάται από τον τύπο υγρού. Αυτό είναι ότι η απόδοση του κύκλου του Carnot είναι ανεξάρτητη από τα υγρά.

Η Carnot διατηρεί τη μέγιστη απόδοση όλων των κινητήρων που λειτουργούν υπό την ίδια θερμική δεξαμενή με τον κύκλο Carnot αναστρέψιμο, κάνοντας παραδοχές για την εξάλειψη όλων των απωλειών και κάνοντας τον κύκλο έναν κύκλο χωρίς τριβή, ο οποίος δεν είναι ποτέ εφικτός στην πράξη.

Ποια είναι η καθαρή αλλαγή στην εντροπία κατά τη διάρκεια ενός κύκλου Carnot

Η καθαρή αλλαγή στην εντροπία κατά τη διάρκεια ενός κύκλου Carnot είναι μηδέν.

γιατί ο κύκλος carnot δεν είναι δυνατός

Ο κύκλος Carnot έχει ισοθερμική έως αδιαβατική μετάδοση. Τώρα για να πραγματοποιήσουμε ισοθερμική, πρέπει είτε να κάνουμε τη διαδικασία πολύ αργή είτε να αντιμετωπίσουμε την αλλαγή φάσης.

Στη συνέχεια είναι αναστρέψιμο αδιαβατικό, το οποίο πρέπει να πραγματοποιηθεί γρήγορα για να αποφευχθεί η θερμική αλληλεπίδραση.

Ως εκ τούτου, το σύστημα είναι δύσκολο να κατασκευαστεί καθώς ο μισός κύκλος τρέχει πολύ αργός και ο άλλος μισός τρέχει πολύ γρήγορα.

Γιατί ο κύκλος carnot είναι ο πιο αποτελεσματικός

Ο κύκλος Carnot λειτουργεί μεταξύ δύο θερμικών δεξαμενών (Th & Τc), και η αποτελεσματικότητά του εξαρτάται μόνο από αυτήν τη θερμοκρασία και δεν εξαρτάται από τον τύπο υγρού. Αυτό είναι ότι η απόδοση του κύκλου του Carnot είναι ανεξάρτητη από τα υγρά.

Η Carnot διατηρεί τη μέγιστη απόδοση όλων των κινητήρων που λειτουργούν υπό την ίδια θερμική δεξαμενή με τον κύκλο Carnot αναστρέψιμο, κάνοντας παραδοχές για την εξάλειψη όλων των απωλειών και κάνοντας τον κύκλο έναν κύκλο χωρίς τριβή, ο οποίος δεν είναι ποτέ εφικτός στην πράξη.

Γιατί ο κύκλος Carnot περιλαμβάνει μόνο την ισοθερμική και αδιαβατική διαδικασία και όχι άλλες διεργασίες όπως ισοχωρική ή ισοβαρική

Ο κύριος στόχος του Carnot Cycle είναι η επίτευξη της μέγιστης απόδοσης, η οποία οδηγεί στο να καταστήσει το σύστημα αναστρέψιμο, οπότε να κάνει το σύστημα αναστρέψιμο χωρίς διαδικασία θερμικής αλληλεπίδρασης που πρέπει να διατηρήσω, δηλαδή αδιαβατική διαδικασία.

Και για να έχουμε τη μέγιστη απόδοση εργασίας χρησιμοποιούμε την ισοθερμική διαδικασία.

Πώς σχετίζεται ο κύκλος Carnot με έναν κύκλο Stirling;

Το Stirling, η διαδικασία ισεντροπικής συμπίεσης του κύκλου Carnot και η διαδικασία ισεντροπικής επέκτασης αντικαθίστανται από μια διαδικασία αναγέννησης σταθερού όγκου. Οι άλλες δύο μέθοδοι είναι ίδιες με τον κύκλο Carnot, είναι η ισοθερμική προσθήκη θερμότητας και απόρριψη.

Τι θα συμβεί με την αποτελεσματικότητα δύο μηχανών Carnot που λειτουργούν με την ίδια πηγή και νεροχύτη;

Η απόδοση θα είναι η ίδια, καθώς η απόδοση του κύκλου Carnot εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία της πηγής και του νεροχύτη.

Συνδυασμός κύκλου Carnot και ψυγείου Carnot

Η απόδοση της θερμικής μηχανής Carnot παρέχεται ως είσοδος εργασίας για το σύστημα ψύξης Carnot.

Συνδυάστε τον κύκλο.
Συνδυάστε τον κύκλο.

Είναι απαραίτητο τα ψυγεία να λειτουργούν μόνο στον κύκλο Carnot;

Για να έχουμε τον μέγιστο συντελεστή απόδοσης (COP), θεωρητικά καθαρίζουμε τον κύκλο ψύξης για να εργαστούμε στο Carnot.

Η θερμοκρασία δύο δεξαμενών ενός κινητήρα Carnot αυξάνεται κατά την ίδια ποσότητα Πώς θα επηρεαστεί η αποδοτικότητα;

Η αύξηση της θερμοκρασίας και των δύο ταμιευτήρων θα τείνει να μειώνεται στην αποδοτικότητα

Χρήσεις στάσης στον κύκλο Carnot;

Η βάση χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή μιας αδιαβατικής διαδικασίας. Αποτελείται από μη αγωγό υλικό.

Σημαντικά αποτελέσματα για τον κύκλο κινητήρα Carnot;

Οποιοσδήποτε αριθμός κινητήρων που λειτουργούν σύμφωνα με την αρχή Carnot και έχουν την ίδια πηγή και νεροχύτη θα έχουν την ίδια απόδοση.

Τερματικό του κινητήρα Carnot;

Ο κινητήρας Carnot θα αποτελείται από: ζεστό δοχείοΨυχρός νεροχύτης Μονωτική βάση.

Ορισμός της μονωτικής βάσης που είναι ένα από τα μέρη του κινητήρα της Carnot;

Η βάση χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή μιας αδιαβατικής διαδικασίας και αποτελείται από μη αγωγό υλικό.

Για περισσότερα άρθρα σχετικά με Μηχανική & θερμική, επισκεφθείτε μας Αρχική σελίδα.

Σχετικά με τον Akash Yadav

Είμαι ο Akash Yadav, επιδιώκοντας το μεταπτυχιακό μου στη θερμική μηχανική. Έχω ολοκληρώσει το μεταπτυχιακό μου δίπλωμα στη σχεδίαση και ανάλυση προϊόντων. Υποβλήθηκε σε εκπαίδευση για προηγμένη δυναμική υπολογιστικής ρευστότητας και σχεδιασμό βάσει μοντέλου. Πρακτικό τεχνικό λογισμικό όπως Auto CAD, CATIA, Cero παραμετρικά, στερεά έργα, Ansys Workbench, Star CCM+, Scilab. Οι θεματικοί μου τομείς: Θερμοδυναμική, Μηχανική ρευστών, Μεταφορά θερμότητας, rigeύξη.
Μου αρέσει να μαθαίνω νέες δεξιότητες, να αναλαμβάνω προκλήσεις, να διδάσκω και να είμαι χρήσιμος σε κάθε δυνατό επίπεδο. Στον ελεύθερο χρόνο μου, μου αρέσει να γράφω, να διδάσκω, να ταξιδεύω και να μαγειρεύω.
Χαίρομαι που είμαι μέλος της οικογένειας Lambdageeks.
Ανυπομονώ να σας συνδέσω μέσω του LinkedIn-http://www.linkedin.com/in/akash-yadav-382008181

Lambda Geeks