Cycle and Carnot's Theorem • James Trefil, Encyclopedia "Dwieście praw wszechświata"

Cykl Carnota i twierdzenie

Idealne maszyny w prawdziwym życiu nie istnieją, to tylko konstrukcja myślowa. Każda z tych hipotetycznych maszyn, wśród których silnik Carnota zajmuje ważne miejsce, ilustruje niektóre ważne wnioski teoretyczne. (Nawet blokada powietrzna nazywana wieczystym ruchem służy w zasadzie tylko po to, by pokazać, że energii nie można uzyskać z niczego.) Silnik Carnota, który jest podstawą pracy idealnego silnika cieplnego, został wynaleziony przez francuskiego inżyniera, Sadi Carnota dwadzieścia lat wcześniej jak sformułowane zostały podstawy termodynamiki, ale ilustruje to ważną konsekwencję drugiej zasady termodynamiki.

Pracującą część silnika Carnota można uważać za tłok w cylindrze wypełnionym gazem. Ponieważ silnik Carnota jest maszyną czysto teoretyczną, to znaczy idealną, siły tarcia między tłokiem a cylindrem i straty ciepła są uważane za zero. Tłok może się swobodnie poruszać między dwoma zbiorniki ciepła – z wysoką temperaturą i niską temperaturą. (Dla wygody wyobraźmy sobie, że gorący zbiornik ciepła jest ogrzewany przez spalanie mieszaniny benzyny z powietrzem,a zimny jest chłodzony wodą lub powietrzem w temperaturze pokojowej.) Następujący idealny czterofazowy cykl występuje w tym silniku cieplnym:

1. Najpierw cylinder styka się z gorącym zbiornikiem, a idealny gaz rozszerza się w stałej temperaturze. W tej fazie gaz otrzymuje pewną ilość ciepła z gorącego zbiornika.
2. Następnie cylinder jest otoczony doskonałą izolacją cieplną, dzięki czemu ilość ciepła dostępnego dla gazu zostaje zachowana, a gaz kontynuuje ekspansję, aż jego temperatura spadnie do temperatury zimnego zbiornika ciepła.
3. W trzeciej fazie izolacja cieplna jest usuwana, a gaz w cylindrze będący w kontakcie z zimnym zbiornikiem jest ściskany, oddając część ciepła do zimnego zbiornika.
4. Gdy kompresja osiąga określony punkt, cylinder jest ponownie otoczony przez izolację cieplną, a gaz jest ściskany przez podniesienie tłoka, aż jego temperatura będzie równa temperaturze gorącego zbiornika. Następnie usuwa się izolację i cykl powtarza się ponownie z pierwszej fazy.

Silnik Carnota ma wiele wspólnego z prawdziwymi silnikami: działa w zamkniętym cyklu (który nazywa się odpowiednio, Cykl Carnota); odbiera energię z zewnątrz dzięki procesowi wysokotemperaturowemu (na przykład podczas spalania paliwa); część energii jest rozpraszana do środowiska. W tym przypadku wykonywana jest pewna praca (w przypadku silnika Carnota, z powodu ruchu translacyjnego tłoka). Wydajność, lub wydajność Silnik Carnota definiuje się jako stosunek pracy do energii (w postaci ciepła) pobieranej z gorącego zbiornika. Łatwo jest udowodnić, że wydajność (E) wyraża się wzorem:

E = 1 – (Tc/Th),

gdzie Tc i Th – odpowiednio temperatura zimnych i gorących zbiorników (w kelwinach). Oczywiście wydajność silnika Carnota jest mniejsza niż 1 (lub 100%).

Największą wnikliwość Carnota jest to, że pokazał, że żaden silnik cieplny pracujący w dwóch zadanych temperaturach nie może być bardziej wydajny niż idealny silnik Carnota (to określenie jest nazywane Twierdzenie Carnota). W przeciwnym razie stanęłoby w obliczu naruszenia drugiej zasady termodynamiki, ponieważ taki silnik pobierałby ciepło z mniej ogrzanego zbiornika i przenosił go do bardziej ogrzanego. (W rzeczywistości druga zasada termodynamiki jest konsekwencją twierdzenia Carnota.) W ten sposób uzyskany stosunek Carnota ustala ograniczenie wydajności prawdziwe silniki pracujące w prawdziwym świecie. Możesz zbliżyć się do niego, ale aby osiągnąć, a zwłaszcza, aby nie przekroczyć jego inżynierów, nie może. Więc czysto hipotetyczny silnik Carnota odgrywa ważną rolę w świecie prawdziwych, hałaśliwych i pachnących maszyn, co jest kolejnym przykładem stosowanej wartości czysto teoretycznych, na pierwszy rzut oka, badań.

Nicola Leonar Sadi Carnot
Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1796-1832

Francuski fizyk i inżynier wojskowy. Urodzony w Paryżu. Jego ojciec, Lazare Nicola Marguerite Carnot (1753-1823), był wybitnym mężem stanu z epoki napoleońskiej, ale będąc generałem i politykiem, znalazł czas na studiowanie czystej matematyki. Sadi Carnot studiował w słynnej politechnice, a po ukończeniu szkoły w 1814 r. Zgłosił się na front pod dowództwem Napoleona Bonaparte, gdzie służył jako inżynier wojskowy do upadku Napoleona w 1819 r. Następnie Sadi Carnot opuścił służbę wojskową i zaangażował się w naukę, ekonomię i sztukę. Był także zainteresowany wieloma nowymi rozwojami przemysłowymi i technologicznymi tamtych czasów. Podejmując teoretyczne uzasadnienie zasad działania silników parowych, Carnot stał się jednym z pionierów termodynamiki i zaproponował swój słynny model idealnego silnika.Sadi Carnot opublikował swoje pomysły w 1824 roku w formie fundamentalnego traktatu "Refleksje nad siłą napędową ognia i maszynami zdolnymi do rozwijania tej mocy" (Réflexions sur la puissance motrice du feu et les machines propres à développer cette puissance). Po powrocie w 1832 r. Do służby wojskowej w randze kapitana, Sadi Carnot wkrótce zmarł nagle w wieku 36 lat od cholery na tle szkarlatyny.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: