Fizično

Carnot stroj

Carnot stroj

Kaj je Carnotov stroj?

The Carnot stroj To je idealen ciklični model, v katerem se toplota uporablja za opravljanje dela. Sistem lahko razumemo kot bat, ki se premika znotraj valja, ki stisne plin. Cikel je Carnot, ki ga je navedel oče termodinamike, francoski fizik in inženir Nicolas Leonard Sadi Carnot.

Carnot je ta cikel izjavil v zgodnjem devetnajstem stoletju. Stroj je podvržen štirim spremembam stanja, izmenične pogoje, kot sta konstantna temperatura in tlak, pri čemer se pri stiskanju in širjenju plina dokazuje sprememba volumna.

Formule

Po Carnotovem mnenju je podvržen idealnemu stroju za temperaturo in nihanja tlaka, da je mogoče povečati pridobljeno zmogljivost.

Carnotov cikel je treba analizirati ločeno v vsaki od njegovih štirih faz: izotermalno širitev, adiabatska ekspanzija, izotermalno stiskanje in adiabatsko stiskanje.

Spodaj bodo podrobno opisane formule, povezane z vsako fazo cikla, ki se izvaja na Carnotovem stroju.

Izotermalna širitev (a → B)

Prostori te faze so naslednje:

  • Volumen plina: Prehaja od najnižjega obsega do povprečne prostornine.
  • Temperatura stroja: konstantna temperatura T1, visoka vrednost (T1> T2).
  • Strojni tlak: Spusti iz P1 v P2.

Izotermalni postopek pomeni, da se temperatura T1 v tej fazi ne razlikuje. Prenos toplote povzroči širitev plina, kar povzroča gibanje na batu in proizvaja mehansko delo.

Pri širitvi plin predstavlja določeno težnjo po ohlajanju. Vendar absorbira toploto, ki jo oddaja vir temperature in med širitvijo ohranja konstantno temperaturo.

Vam lahko služi: kakšna je linearna hitrost? (Z rešenimi vajami)

Ker temperatura med tem postopkom ostane konstantna, se notranja energija plina ne spremeni in vsa toplota, ki jo plin absorbira, se učinkovito spremeni v delo. Tako:

Po drugi strani je na koncu te faze cikla tudi mogoče pridobiti vrednost tlaka z uporabo idealne enačbe plina zanj. Na ta način imate naslednje:

V tem izrazu:

  • Str2: Pritisk na koncu faze.
  • Vb: Volumen v točki B.
  • N: Število molov plina.
  • O: Univerzalna konstanta idealnih plinov. R = 0,082 (atm*liter)/(moli*k).
  • T1: absolutna začetna temperatura, Kelvinove stopinje.

Adiabatska ekspanzija (B → C)

V tej fazi postopka se izvaja širitev plina, ne da bi bilo treba izmenjati toploto. Na ta način so prostori podrobno opisani spodaj:

  • Volumen plina: Od povprečne volumna sega v največjo glasnost.
  • Temperatura stroja: Spusti iz T1 na T2.
  • Strojni tlak: konstanten tlak P2.

Adiabatski postopek pomeni, da se tlak P2 v tej fazi ne razlikuje. Temperatura se znižuje in plin se še naprej širi, dokler ne doseže največjega volumna; to pomeni, da bat doseže vrh.

V tem primeru opravljeno delo izvira iz notranje energije plina in njegova vrednost je negativna, ker se energija med tem postopkom zmanjšuje.

Ob predpostavki, da gre za idealen plin, se teorija vzdržuje, da imajo molekule plina le kinetično energijo. Po načelih termodinamike lahko to sklepamo z naslednjo formulo:

V tej formuli:

  • ∆Ub → c: Notranja sprememba energije idealnega plina med točkami B in C.
  • N: Število molov plina.
  • CV: plinska molarna toplotna zmogljivost.
  • T1: absolutna začetna temperatura, Kelvinove stopinje.
  • T2: Absolutna končna temperatura, Kelvinove stopinje.
Vam lahko služi: izobarični postopek: formule, enačbe, poskusi, vaje

Izotermično stiskanje (C → D)

V tej fazi se začne stiskanje plina; to pomeni, da se bat mobilizira v valj, s katerim plin sklene svojo količino.

Pogoji, ki so povezani s tem postopkom, so podrobno opisani spodaj:

  • Volumen plina: Prehaja od največje količine v vmesno glasnost.
  • Temperatura stroja: konstantna temperatura T2, zmanjšana vrednost (T2 < T1).
  • Strojni tlak: Povečanje od P2 na P1.

Tu se pritisk na plin poveča, zato se začne stiskati. Vendar temperatura ostane konstantna, zato je notranja sprememba energije plina nič.

Analog z izotermalno širitvijo je opravljeno delo enako toploti sistema. Tako:

Prav tako je mogoče najti tlak na tej točki z idealno enačbo plina.

Adiabatsko stiskanje (D → A)

To je zadnja faza postopka, v kateri se sistem vrne v svoje začetne pogoje. Za to se upoštevajo naslednji pogoji:

  • Volumen plina: Prehaja od vmesne prostornine do minimalne prostornine.
  • Temperatura stroja: Povečanje od T2 na T1.
  • Strojni tlak: konstanten tlak P1.

Vir toplote, vgrajen v sistem v prejšnji fazi, se odstrani, tako da bo idealni plin medtem dvignil temperaturo, medtem ko tlak ostane konstanten.

Plin se vrne v začetne temperaturne pogoje (T1) in v njeno prostornino (najmanj). Še enkrat opravljeno delo izvira iz notranje energije plina, zato morate:

Podobno kot v primeru adiabatske ekspanzije je tudi z naslednjim matematičnim izrazom mogoče pridobiti variacijo plinske energije:

Vam lahko služi: kalcijev fluorid (caf2): struktura, lastnosti, uporabe

Kako deluje Carnotov stroj?

Carnot stroj deluje kot motor, v katerem se zmogljivost maksimira z variacijo izotermalnih in adiabatskih procesov, ki izmenjujejo faze širitve in razumevanja idealnega plina.

Mehanizem je mogoče razumeti kot idealno napravo, ki izvaja delo, ki je podvržena toplotnim spremembam, glede na obstoj dveh temperaturnih žarometov.

V prvem fokusu je sistem izpostavljen temperaturi T1. To je visoka temperatura, ki lahko sistem poudari in proizvaja širitev plina.

To pomeni izvedbo mehanskega dela, ki omogoča mobilizacijo bata iz valja in katerih mejo je mogoča le z adiabatsko širitvijo.

Nato pride drugi fokus, v katerem je sistem izpostavljen temperaturi T2, manjši od T1; to pomeni, da je mehanizem podvržen hlajenju.

To povzroči ekstrakcijo toplote in drobljenje plina, kar doseže svojo začetno prostornino po adiabatskem stiskanju.

Prijave

Stroj Carnot je bil široko uporabljen zaradi svojega prispevka pri razumevanju najpomembnejših vidikov termodinamike.

Ta model vam omogoča, da jasno razumete različice idealnih plinov, ki so podvrženi spreminjanjem temperature in tlaka, kar je referenčna metoda pri oblikovanju resničnih motorjev.