Chu kỳ Carnot là gì?

Trong bài viết này , tôi sẽ đưa ra thông tin về chu trình carnot . Nhiều công nghệ đã được tạo ra để áp dụng tốt nhất nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học .

Một hiệu suất tốt hơn hiệu suất carnot có thể được mong đợi từ bất kỳ động cơ nào . Tuy nhiên, điều này có thể tiếp cận các giới hạn cơ bản.

Để mô hình hóa hoạt động của động cơ, mỗi giai đoạn của chu trình có thể được mô tả bằng một biến đổi nhiệt động cụ thể . Nói cách khác, có thể có sự biến đổi ở áp suất không đổi, thể tích không đổi, nhiệt độ không đổi (đẳng áp) hoặc entropi không đổi (đoạn nhiệt, tức là không thay đổi nhiệt).

Chu trình Carnot

Hai quá trình biến đổi đẳng nhiệt và hai đoạn nhiệt diễn ra trong phép biến đổi Carnot (pha giãn nở và pha nén). Các động cơ xăng bốn kỳ mà chúng ta đã quen thuộc .Chu trình này bao gồm một đoạn nhiệt (giãn nở), một thể tích không đổi (loại bỏ khí), một đoạn nhiệt khác (nén) và một chuyển đổi thể tích không đổi trong một thể tích khác, nếu giả định rằng nó được hình thành đột ngột do sự đốt cháy hỗn hợp không khí và xăng. Áp suất đạt được khi kết thúc quá trình nén thấp hơn áp suất thu được từ chu trình động cơ diesel. 

Ở loại động cơ này, các phân tử của hỗn hợp đạt động năng rất cao và hỗn hợp bốc cháy mà không cần bugi đánh lửa. Tất cả điều này trải qua giai đoạn đốt cháy ở áp suất không đổi, sau đó là sự giãn nở đoạn nhiệt, thể tích khí thải không đổi (khí thải) và giai đoạn nén đoạn nhiệt. Ngay cả khi hoạt động của một máy bay phản lực đòi hỏi áp suất không khí được thay mới liên tục, thay vì một khối hỗn hợp bị mắc kẹt trong một xi lanh, hai đoạn nhiệtNó bao gồm hai giai đoạn ở áp suất không đổi với sự biến đổi.

Tất cả những động cơ này thải ra một năng lượng quan trọng và vẫn có thể sử dụng được từ ống xả. Ví dụ, khí thải có thể dẫn động một tuabin hút và nén hỗn hợp khí ở đầu vào; để cải thiện sức mạnh và hiệu quả được nhìn thấy. Nguyên tắc của turboengines dựa trên sự kiện này.

Carnot Yield

Hiệu suất của động cơ là tỷ số giữa  công W với nhiệt lượng mà nó sắp cung cấp và nó được biểu diễn bằng phương trình η = W / Q.

Trong trường hợp của chu trình Carnot , trong nguyên lý đầu tiên của nhiệt động lực học, tổng của công và nhiệt lượng được quy định bằng 0 và được biểu diễn dưới dạng W + Q1 + Q2 = 0 . Trong phương trình này, năng lượng đi vào động cơ (Q1) được coi là dương, và năng lượng rời khỏi động cơ (W và Q2) được coi là âm. Trong trường hợp này, sản lượng được tính theo công thức sau.

ē = (Q1- | Q2 |) / Q1 hoặc 1- (| Q1 | / Q2)

Vì tất cả các biến đổi của chu trình này là thuận nghịch nên entropi (Q / T) lấy từ nguồn nóng và entropy (| Q1 | / T1) ném vào nguồn lạnh có cùng giá trị. Do đó, hiệu suất cũng có thể được giải thích theo nhiệt độ tuyệt đối của các nguồn và nhận được phương trình sau:  η = 1- (T1 / T2).
Nhiệt độ T của nguồn nóng càng cao (ở động cơ xăng, nhiệt độ này đạt 3000K trong quá trình đốt cháy hỗn hợp) và nhiệt độ T1 của nguồn lạnh càng thấp thì hiệu suất càng cao. Trong trường hợp giới hạn, nếu T1 tiếp cận 0, hiệu suất tăng lên 1; nghĩa là động cơ chạy trong một chuyển động liên tục. Hiện tượng này bị loại trừ trong nguyên lý thứ ba của nhiệt động lực học, trong đó nói rằng độ không tuyệt đối là không thể đạt được.

Đơn giản hơn, để tăng hiệu suất của động cơ, tổn thất cơ học do ma sát được giảm bớt khi bôi trơn động cơ và giảm tổn thất nhiệt khi làm mát động cơ. Nhưng bất kỳ cải tiến nào được đưa ra (sử dụng hợp kim mới hoặc vật liệu composite gốm) thì các biến đổi nhiệt động lực học trong động cơ vẫn diễn ra nhanh chóng và dữ dội; trong khi đó trong động cơ lý tưởng của Carnot, quá trình biến đổi xảy ra chậm và có thể đảo ngược. Trong thực tế, hiệu suất của động cơ nhiệt thấp hơn ít nhất hai lần như đã nêu trong công thức 1- (T1 / T2) .

Bơm nhiệt và hệ thống làm mát

Hệ thống sưởi và bộ làm mát sử dụng cùng một chu trình nhiệt động, nhưng ở đây áp dụng ngược lại với chu trình của động cơ.

Động  nhiệt tương tự về mặt nhiệt động lực học với máy làm mát. Đầu tiên cung cấp công việc bằng cách truyền nhiệt của nguồn nóng sang nguồn lạnh; thứ hai tiêu thụ công đồng thời truyền nhiệt của nguồn lạnh sang nguồn nóng. Hướng của sự trao đổi năng lượng chỉ đơn giản là đảo ngược.

Trong trường hợp này, hiệu quả của bộ làm mát phụ thuộc vào lượng nhiệt Q1 mà nó nhận được từ chính nó, tức là từ nguồn lạnh. Mặt khác, hiệu suất của máy bơm nhiệt được biểu thị bằng nhiệt lượng đưa vào bên trong ngôi nhà được đốt nóng, Q. Trong cả hai trường hợp, tỷ lệ Q1 / W hoặc Q / W lớn hơn 1 và thường là 3 hoặc 4. Vì thực sự không có hiệu quả, thuật ngữ “hệ số hiệu suất” là thích hợp hơn.

Việc sử dụng năng lượng “cao quý” (từ than, xăng, dầu, khí đốt hoặc điện) để sưởi ấm một ngôi nhà dường như không gặp khó khăn gì. Tuy nhiên, kết quả tương tự cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng một số năng lượng cao quý (năng lượng điều khiển máy bơm) được lấy từ “năng lượng bị bóp méo” (vì nó được lưu trữ ở nhiệt độ thấp) của khí quyển, khối nước bên ngoài, hoặc đất. Cái này; Đó là nguyên lý của máy bơm nhiệt được cẩn thận hơn về mặt nhiệt động lực học và giá thành.

Tuy nhiên, cũng như đối với động cơ, bộ làm mát và máy bơm nhiệt cũng dễ bị trùng nhiệt động. Cũng giống như động cơ tiêu thụ một phần năng lượng, bộ làm mát sẽ làm nóng căn phòng mà nó đang ở và làm mát môi trường mà từ đó năng lượng bơm nhiệt được nhận.

Phương châm không thể ngăn cản của nhiệt động lực học là ” không có hệ thống nào là hoàn hảo “.