Цицле Царнот. Царнот гас гас

Најефикаснији циклус топлотног мотора је Царнотов топлотни циклус. Састоји се од два изотермна и два адијабатска процеса. Други закон термодинамике утврђује да се сва топлота која се испоручује топлотном мотору не може користити за обављање посла. Ефикасност таквог мотора, који спроводи Царнотов циклус, даје граничну вредност тог дела који се може користити у те сврхе.

Неколико речи о реверзибилности физичких процеса

Физички (иу ужем смислу термодинамички) процес у одређеном систему тијела (укључујући чврсте материје, течности, гасове) је реверзибилан, ако је након његове имплементације могуће вратити стање у којем је систем био прије него што је почео. Ако се на крају процеса не може вратити у своје првобитно стање, онда је то неповратно.

Реверзибилни процеси се не јављају у природи. Ово је идеализовани модел реалности, врста алата за истраживање у физици. Пример таквог процеса је Царнотов циклус. Идеалан топлотни мотор је модел правог система који имплементира процес, назван по француском физичару Садију Карнету, који га је први описао.

Шта узрокује неповратност процеса?

Фактори који доводе до тога су:

• топлотни проток од извора топлоте до потрошача на коначној температурној разлици између њих;
• неограничена експанзија гаса;
• мешање два гаса;
• трење;
• пролаз електрична струја кроз отпор;
• нееластична деформација;
• хемијске реакције.

Процес је неповратан ако је присутан било који од ових фактора. Царнотов идеалан циклус је реверзибилан процес.

Интерно и екстерно реверзибилни процеси

Када се процес проводи, његови фактори иреверзибилности могу се налазити у оквиру система самих тијела, као иу његовој близини. Она се назива интерно реверзибилна ако се систем може вратити у исто стање равнотеже у којем је било у почетку. Истовремено унутар ње не могу бити фактора неповратности све док процес који се разматра траје.

Ако су фактори иреверзибилности одсутни изван граница система у процесу, онда се то назива екстерно реверзибилно.

Процес се назива потпуно реверзибилним ако је и интерно и екстерно реверзибилан.

Шта је то Царнотов циклус?

У овом процесу, који се реализује помоћу идеалног топлотног мотора, ради радни флуид - загрејани гас механички рад због топлоте која се добија из високотемпературног резервоара топлоте (грејача), а такође даје и топлоту резервоару топлоте ниске температуре (хладњак).

Царнотов циклус је један од најпознатијих реверзибилних циклуса. Састоји се од четири реверзибилна процеса. И мада су такви циклуси недостижни у пракси, они постављају горње границе перформанси реалних циклуса. У теорији је показано да овај директни циклус, уз највећу могућу ефикасност, врши претварање топлинске енергије (топлоте) у механички рад.

Ас перфецт гас ради Царнот циклус?

Размислите о идеалном топлотном мотору који садржи цилиндар са гасом и клипом. Четири реверзибилна процеса радног циклуса такве машине су:

1. Реверзибилна изотермална експанзија. На почетку процеса, гас у цилиндру има температуру Т _Х. Кроз зидове цилиндра долази до контакта са грејачем, који има инфинитезималну температурну разлику са гасом. Сходно томе, не постоји одговарајући фактор иреверзибилности у облику коначне температурне разлике, а постоји и реверзибилни процес преноса топлоте од грејача до радног флуида - гаса. Његов унутрашња енергија она расте, полако се шири, док ради померање клипа и остаје на константној температури Т _Х. Укупна количина топлоте која се преноси на гас од грејача током овог процеса је једнака К _Х, међутим, само један део је претворен у рад.

2. Реверзибилна адијабатска експанзија. Гријач се уклања, а гас који изводи Царнот циклус полако се шири даље адиабатски (са константном ентропијом) без измјене топлине кроз зидове цилиндра или клипа. Његов рад на кретању клипа доводи до смањења унутрашње енергије, што се огледа у смањењу температуре од Т _Х до Т _Л. Ако претпоставимо да се клип помера без трења, онда је процес реверзибилан.

3. Реверзибилна изотермална компресија. Цилиндар се доводи у контакт са хладњаком који има температуру Т _Л. Клип почиње да гура спољашњу силу која обавља радове компресије гаса. У исто вријеме, његова температура остаје једнака Т _Л, а процес, укључујући пријенос топлине из плина у хладњак и компресију, остаје реверзибилан. Укупна количина топлоте која се уклања из гаса у фрижидеру је К _Л.

4 Реверзибилна адијабатска компресија. Хладњак је уклоњен, а гас се полако компримира даље адиабатично (са константном ентропијом). Његова температура расте од Т _Л до Т _Н. Гас се враћа у првобитно стање, што довршава циклус.

Принципи Царнота

Ако су процеси који чине Царнотов циклус топлотног мотора реверзибилни, онда се то назива реверзибилним топлотним мотором. Иначе имамо њену неповратну опцију. У пракси, сви топлотни мотори су такви, од реверзибилних процеса не постоји у природи.

Царнот је формулисао принципе који су последица другог закона термодинамике. Они су изражени на следећи начин:

1. Ефикасност иреверзибилног топлотног мотора је увек мања од ефикасности реверзибилног мотора који ради из истих два резервоара топлоте.

2. Ефикасност свих реверзибилних топлотних мотора који раде из истих два резервоара топлоте су исти.

То значи да ефикасност реверзибилног топлотног мотора не зависи од употријебљеног радног флуида, његових својстава, трајања радног циклуса и типа топлинског мотора. То је само функција температуре спремника:

η = 1 - К _Л / К _Н = г (Т _Н , Т _Л )

или

К _Х / К _Л = ф (Т _Х , Т _Л ),

где је К _Л топлота која се преноси у нискотемпературни резервоар, који има температуру Т _Л; К _Х - топлота која се преноси из високотемпературног резервоара, који има температуру Т _Х; г, Ф - све функције.

Царнот Хеат Енгине

Такав топлотни мотор називају реверзибилним Царнотовим циклусом. Термичка ефикасност сваког топлотног мотора, реверзибилна или не, дефинише се као

η _тх = 1 - К _Л / К _Х,

где су К _Л и К _Х количине топлоте пренесене у циклусу у нискотемпературни резервоар на температури Т _Л и из високотемпературног резервоара на температури _ТХ, респективно. За реверзибилне топлотне моторе, топлотна ефикасност се може изразити у апсолутним температурама ова два спремника:

η _тх = 1 - Т _Л / Т _Х.

Ефикасност Царнот топлотног мотора је највећа ефикасност коју топлотни мотор може да достигне радећи између високотемпературног резервоара на температури Т _Х и нискотемпературног резервоара на температури Т _Л. Сви неповратни топлотни мотори који раде између истих два спремника имају мању ефикасност.

Обрнути процес

Циклус у питању је потпуно реверзибилан. Његова опција хлађења може се постићи преокретањем свих процеса који су укључени у њега. У овом случају, операција Царнот циклуса се користи за стварање разлике температуре, тј. топлотна енергија. Током реверзног циклуса, количина топлоте К _Л гаса добија се из нискотемпературног резервоара, а количина топлоте К _Х се даје у високотемпературном резервоару топлоте. Енергија В _нето, потребна је за извођење циклуса. Она је једнака површини фигуре коју ограничавају две изотерме и два адиабата. ПВ дијаграми напред и назад Царнот циклуса приказани су на слици испод.

Хладњак и топлотна пумпа

Хладњак или топлотна пумпа која примењује Царнотов повратни циклус назива се Царнот хладњак или Царнот топлотна пумпа.

Ефикасност реверзибилног или неповратног фрижидера (η _Р ) или топлотна пумпа (η _ХП) је дефинисана као:

η _Р = 1 / ((К _Х / К _Л ) - 1),

η _ХП = 1 / (1- (К _Л / К _Х )),

где је К _Н количина топлоте која се испушта у високотемпературни резервоар;
К _Л - количина топлоте добијене из нискотемпературног резервоара.

За реверзибилне хладњаке или топлотне пумпе, као што су Царнот хладњаци или Царнот топлотне пумпе, ефикасност се може изразити у апсолутним температурама:

η _Р = 1 / (( _Х / Т _Л ) - 1),

η _ХП = 1 / (1 - (Т _Л / Т _Х )),

где је Т _Н = апсолутна температура у високотемпературном резервоару;
Т _Л = апсолутна температура у резервоару ниске температуре.

η _Р (или η _ХП ) су највећа ефикасност фрижидера (или топлотне пумпе) које могу да постигну радећи између високотемпературног резервоара на температури Т _Х и нискотемпературног резервоара на температури Т _Л. Сви неповратни хладњаци или топлотне пумпе које раде између два спремника имају мању ефикасност.

Кућни хладњак

Основна идеја кућног фрижидера је једноставна: користи испаравање расхладног средства да би апсорбовала топлоту из расхладног простора у фрижидеру. У сваком фрижидеру постоје четири главна дела:

• Компресор.
• Цевасти радијатор изван хладњака.
• Експанзиони вентил.
• Цеви за пренос топлоте у фрижидеру.

Обрнути циклус Царнот-а када фрижидер ради у следећем редоследу:

• Адијабатска компресија. Компресор компримира паре расхладног средства, повећавајући њихову температуру и притисак.
• Изотермална компресија. Високотемпературна и компресорска компресована пара расхладног средства распршује топлоту у околину (високотемпературни резервоар) док тече кроз хладњак изван хладњака. Пара расхладног средства се кондензује (компримује) у течну фазу.
• Адијабатска експанзија. Течни расхладни флуид протиче кроз експанзиони вентил да би смањио притисак.
• Изотермална експанзија. Хладна течна расхладна течност испарава док пролази кроз цијеви за измјену топлине унутар хладњака. У процесу испаравања, његова унутрашња енергија расте, а тај раст се обезбеђује уклањањем топлоте из унутрашњег простора фрижидера (нискотемпературни резервоар), због чега се хлади. Затим гас улази у компресор да би поново стиснуо. Понови се обрнути Царнотов циклус.