mașină carnot este un model ciclic ideal în care căldura este folosită pentru a lucra. Sistemul poate fi înțeles ca un piston care se deplasează în interiorul unui cilindru care comprimă un gaz. Ciclul exercitat este cel al lui Carnot, enunțat de tatăl termodinamicii, fizicianul și inginerul francez Nicolas Léonard Sadi Carnot..
Carnot a enunțat acest ciclu la începutul secolului al XIX-lea. Mașina este supusă a patru variații de stare, alternând condiții precum temperatura și presiunea constantă, unde se evidențiază o variație a volumului la comprimarea și expansiunea gazului.
Indice articol
Potrivit lui Carnot, supunând mașina ideală la variații de temperatură și presiune, este posibil să maximizăm performanța obținută.
Ciclul Carnot trebuie analizat separat în fiecare dintre cele patru faze ale acestuia: expansiune izotermă, expansiune adiabatică, compresie izotermă și compresie adiabatică..
Formulele asociate cu fiecare dintre fazele ciclului efectuate în mașina Carnot vor fi detaliate mai jos..
Premisele acestei faze sunt următoarele:
- Volumul gazului: trece de la volumul minim la volumul mediu.
- Temperatura mașinii: temperatură constantă T1, valoare ridicată (T1> T2).
- Presiunea mașinii: scade de la P1 la P2.
Procesul izotermic implică faptul că temperatura T1 nu variază în timpul acestei faze. Transferul de căldură induce expansiunea gazului, ceea ce induce mișcarea pistonului și produce lucrări mecanice.
Pe măsură ce gazul se extinde, are tendința de a se răci. Cu toate acestea, absoarbe căldura emisă de sursa de temperatură și în timpul expansiunii sale menține temperatura constantă..
Deoarece temperatura rămâne constantă în timpul acestui proces, energia internă a gazului nu se schimbă și toată căldura absorbită de gaz se transformă efectiv în lucru. A) Da:
La rândul său, la sfârșitul acestei faze a ciclului este de asemenea posibil să se obțină valoarea presiunii folosind ecuația gazului ideal. Astfel, avem următoarele:
În această expresie:
PDouă: Presiune la sfârșitul fazei.
Vb: Volumul la punctul b.
n: Numărul de moli de gaz.
A: Constanta universală a gazelor ideale. R = 0,082 (atm * litru) / (moli * K).
T1: Temperatura absolută inițială, grade Kelvin.
În această fază a procesului, expansiunea gazului are loc fără a fi nevoie de schimb de căldură. Astfel, premisele sunt detaliate mai jos:
- Volumul gazului: trece de la volumul mediu la volumul maxim.
- Temperatura mașinii: scade de la T1 la T2.
- Presiunea mașinii: presiunea constantă P2.
Procesul adiabatic implică faptul că presiunea P2 nu variază în timpul acestei faze. Temperatura scade și gazul continuă să se extindă până când atinge volumul maxim; adică pistonul ajunge la oprire.
În acest caz, munca realizată provine din energia internă a gazului și valoarea acestuia este negativă, deoarece energia scade în timpul acestui proces..
Presupunând că este un gaz ideal, teoria susține că moleculele de gaz au doar energie cinetică. Conform principiilor termodinamicii, acest lucru poate fi dedus prin următoarea formulă:
În această formulă:
∆Ub → c: Variația energiei interne a gazului ideal între punctele b și c.
n: Numărul de moli de gaz.
Cv: Capacitatea termică molară a gazului.
T1: Temperatura absolută inițială, grade Kelvin.
T2: Temperatura finală absolută, grade Kelvin.
În această fază începe compresia gazului; adică pistonul se deplasează în cilindru, cu care gazul își contractă volumul.
Condițiile inerente acestei faze a procesului sunt detaliate mai jos:
- Volumul gazului: trece de la volumul maxim la volumul intermediar.
- Temperatura mașinii: temperatură constantă T2, valoare redusă (T2 < T1).
- Presiunea mașinii: crește de la P2 la P1.
Aici presiunea asupra gazului crește, așa că începe să se comprime. Cu toate acestea, temperatura rămâne constantă și, prin urmare, variația energiei interne a gazului este zero.
Analog cu expansiunea izotermă, munca depusă este egală cu căldura sistemului. A) Da:
De asemenea, este fezabil să se găsească presiunea în acest moment folosind ecuația gazului ideal.
Este ultima fază a procesului, în care sistemul revine la condițiile sale inițiale. Pentru aceasta, sunt avute în vedere următoarele condiții:
- Volumul gazului: trece de la un volum intermediar la un volum minim.
- Temperatura mașinii: crește de la T2 la T1.
- Presiunea mașinii: presiunea constantă P1.
Sursa de căldură încorporată în sistem în faza anterioară este îndepărtată, astfel încât gazul ideal își va ridica temperatura atâta timp cât presiunea rămâne constantă..
Gazul revine la condițiile inițiale de temperatură (T1) și la volumul său (minim). Încă o dată, munca realizată provine din energia internă a gazului, deci trebuie să:
Similar cazului de expansiune adiabatică, este posibil să se obțină variația energiei gazului prin intermediul următoarei expresii matematice:
Motorul Carnot funcționează ca un motor în care performanța este maximizată prin procese izoterme și adiabatice variate, alternând fazele de expansiune și compresie ale unui gaz ideal..
Mecanismul poate fi înțeles ca un dispozitiv ideal care efectuează lucrări fiind supuse variațiilor de căldură, având în vedere existența a două surse de temperatură.
În prima focalizare, sistemul este expus la o temperatură T1. Este o temperatură ridicată care stresează sistemul și determină expansiunea gazului..
La rândul său, acest lucru se traduce prin executarea unei lucrări mecanice care permite mobilizarea pistonului din cilindru și a cărui oprire este posibilă numai prin expansiune adiabatică.
Apoi vine al doilea focar, în care sistemul este expus la o temperatură T2, mai mică decât T1; adică mecanismul este supus unei răciri.
Acest lucru induce extragerea căldurii și zdrobirea gazului, care atinge volumul inițial după comprimarea adiabatică..
Mașina Carnot a fost utilizată pe scară largă datorită contribuției sale la înțelegerea celor mai importante aspecte ale termodinamicii.
Acest model permite o înțelegere clară a variațiilor gazelor ideale supuse modificărilor de temperatură și presiune, făcându-l o metodă de referință la proiectarea motoarelor reale..
Nimeni nu a comentat acest articol încă.