Ciclo Carnot. Gas ciclo di Carnot

Il ciclo più efficace di un motore termico è il ciclo di calore di Carnot. Consiste di due processi isotermici e due processi adiabatici. La seconda legge della termodinamica stabilisce che non tutto il calore fornito a un motore termico può essere utilizzato per eseguire il lavoro. L'efficienza di un tale motore, che implementa il ciclo di Carnot, fornisce il valore limitante di quella parte di esso che può essere utilizzata per questi scopi.

Alcune parole sulla reversibilità dei processi fisici

Il processo fisico (e in senso stretto, termodinamico) in un certo sistema di corpi (inclusi solidi, liquidi, gas) è reversibile, se dopo che è stato implementato, è possibile ripristinare lo stato in cui il sistema era prima che iniziasse. Se non può tornare al suo stato originale alla fine del processo, allora è irreversibile.

I processi reversibili non si verificano in natura. Questo è un modello idealizzato della realtà, un tipo di strumento per la sua ricerca in fisica. Un esempio di tale processo è il ciclo di Carnot. Il motore termico ideale è un modello di un sistema reale che implementa un processo, che prende il nome dal fisico francese Sadi Carnot, che lo descrisse per primo.

Quali sono le cause che determinano l'irreversibilità?

I fattori che lo portano includono:

• il calore scorre dalla fonte di calore al consumatore con una differenza di temperatura finita tra di loro;
• espansione del gas illimitata;
• miscelazione di due gas;
• attrito;
• il passaggio corrente elettrica attraverso la resistenza;
• deformazione anelastica;
• reazioni chimiche

Il processo è irreversibile se uno qualsiasi di questi fattori è presente. Il ciclo ideale di Carnot è un processo reversibile.

Processi reversibili internamente ed esternamente

Quando viene eseguito un processo, i suoi fattori di irreversibilità possono essere localizzati all'interno del sistema dei corpi stessi, così come nelle sue vicinanze. È chiamato internamente reversibile se il sistema può essere ripristinato allo stesso stato di equilibrio in cui era nel suo inizio. Allo stesso tempo al suo interno non ci possono essere fattori di irreversibilità finché dura il processo in esame.

Se i fattori di irreversibilità sono assenti al di fuori dei confini del sistema nel processo, allora è chiamato esternamente reversibile.

Un processo è chiamato completamente reversibile se è reversibile internamente ed esternamente.

Cos'è il ciclo di Carnot?

In questo processo, implementato da un motore termico ideale, il fluido di lavoro - gas riscaldato - si comporta lavoro meccanico a causa del calore ottenuto dal serbatoio di calore ad alta temperatura (riscaldatore), e dà anche calore al serbatoio di calore a bassa temperatura (refrigeratore).

Il ciclo di Carnot è uno dei più famosi cicli reversibili. Consiste di quattro processi reversibili. E sebbene tali cicli siano irraggiungibili nella pratica, ma stabiliscono i limiti superiori dell'esecuzione dei cicli reali. In teoria, è dimostrato che questo ciclo diretto esegue, con la massima efficienza possibile, la conversione di energia termica (calore) in lavoro meccanico.

come gas perfetto fa il ciclo di Carnot?

Si consideri un motore termico ideale contenente un cilindro con gas e un pistone. I quattro processi reversibili del ciclo di lavoro di una macchina del genere sono:

1. Espansione isotermica reversibile. All'inizio del processo, il gas nel cilindro ha una temperatura T _H. Attraverso le pareti del cilindro entra in contatto con il riscaldatore, che ha una differenza di temperatura infinitesimale con il gas. Di conseguenza, non vi è alcun fattore di irreversibilità corrispondente sotto forma di una differenza di temperatura finita, e vi è un processo reversibile di trasferimento di calore dal riscaldatore al fluido di lavoro - gas. suo energia interna cresce, si espande lentamente, mentre fa il lavoro di spostare il pistone e di rimanere a una temperatura costante T _H. La quantità totale di calore trasferita al gas dal riscaldatore durante questo processo è pari a Q _H, tuttavia, solo una parte di esso viene convertita in funzionamento.

2. Espansione adiabatica reversibile. Il riscaldatore viene rimosso e il gas che esegue il ciclo di Carnot si espande lentamente adiabaticamente (con entropia costante) senza scambio termico attraverso le pareti del cilindro o del pistone. Il suo lavoro sul movimento del pistone porta ad una diminuzione dell'energia interna, che si riflette in una diminuzione della temperatura da T _H a T _L. Se supponiamo che il pistone si muova senza attrito, allora il processo è reversibile.

3. Compressione isotermica reversibile. Il cilindro viene portato a contatto con un frigorifero avente una temperatura T _L. Il pistone inizia a respingere la forza esterna che esegue il lavoro di compressione del gas. Allo stesso tempo, la sua temperatura rimane uguale a T _L e il processo che include il trasferimento di calore dal gas al frigorifero e la compressione rimane reversibile. La quantità totale di calore rimossa dal gas nel frigorifero è Q _L.

4. Compressione adiabatica reversibile. Il frigorifero viene rimosso e il gas viene lentamente compresso ulteriormente adiabaticamente (con entropia costante). La sua temperatura sale da T _L a T _N. Il gas ritorna al suo stato originale, che completa il ciclo.

Principi di Carnot

Se i processi che costituiscono il ciclo di Carnot di un motore termico sono reversibili, allora viene chiamato motore termico reversibile. Altrimenti abbiamo la sua opzione irreversibile. In pratica, tutti i motori termici sono tali, dal momento che i processi reversibili non esiste in natura.

Carnot ha formulato i principi che sono una conseguenza della seconda legge della termodinamica. Sono espressi come segue:

1. L'efficienza di un motore termico irreversibile è sempre inferiore a quella di un motore reversibile che funziona dagli stessi due serbatoi di calore.

2. L'efficienza di tutti i motori termici reversibili che operano dagli stessi due serbatoi di calore è la stessa.

Cioè, l'efficienza di un motore termico reversibile non dipende dal fluido di lavoro utilizzato, dalle sue proprietà, dalla durata del ciclo di lavoro e dal tipo di motore termico. È una funzione della sola temperatura del serbatoio:

η = 1 - Q _L / Q _Н = g (T _Н , T _L )

o

Q _H / Q _L = f (T _H , T _L ),

dove Q _L è il calore trasferito al serbatoio a bassa temperatura, che ha una temperatura T _L; Q _H - il calore trasferito dal serbatoio ad alta temperatura, che ha una temperatura T _H; g, F - qualsiasi funzione.

Carnot Heat Engine

Chiamano un tale motore termico, che funziona su un ciclo reversibile di Carnot. L'efficienza termica di qualsiasi motore termico, reversibile o meno, è definita come

η _th = 1 - Q _L / Q _H,

dove Q _L e Q _H sono quantità di calore trasferite in un ciclo ad un serbatoio a bassa temperatura ad una temperatura T _L e da un serbatoio ad alta temperatura ad una temperatura T _H, rispettivamente. Per i motori di calore reversibili, l'efficienza termica può essere espressa in termini di temperature assolute di questi due serbatoi:

η _th = 1 - T _L / T _H.

L'efficienza di un motore termico Carnot è la massima efficienza che un motore termico può raggiungere operando tra un serbatoio ad alta temperatura a una temperatura T _H e un serbatoio a bassa temperatura a una temperatura T _L. Tutti i motori termici irreversibili che operano tra gli stessi due serbatoi hanno un'efficienza inferiore.

Processo inverso

Il ciclo in questione è completamente reversibile. La sua opzione di raffreddamento può essere ottenuta invertendo tutti i processi coinvolti in esso. In questo caso, l'operazione del ciclo di Carnot viene utilizzata per creare una differenza di temperatura, vale a dire energia termica. Durante il ciclo inverso, la quantità di calore che il gas QL riceve dal serbatoio a bassa temperatura e la quantità di calore Q _H viene loro assegnata in un serbatoio di calore ad alta temperatura. Energy W _{net, in} è necessario per eseguire un ciclo. È uguale all'area della figura delimitata da due isoterme e due adiabat. I diagrammi FV dei cicli avanti e indietro di Carnot sono mostrati nella figura seguente.

Frigorifero e pompa di calore

Un frigorifero o pompa di calore che implementa un ciclo di inversione di Carnot è chiamato un frigorifero Carnot o una pompa di calore di Carnot.

Efficienza frigorifero reversibile o irreversibile (η _R ) o pompa di calore (η _HP) è definita come:

η _R = 1 / ((Q _H / Q _L ) - 1),

η _HP = 1 / (1- (Q _L / Q _H )),

dove Q _Í è la quantità di calore scaricata nel serbatoio ad alta temperatura;
Q _L - la quantità di calore ottenuta dal serbatoio a bassa temperatura.

Per i frigoriferi reversibili o le pompe di calore, come i frigoriferi Carnot o le pompe di calore Carnot, l'efficienza può essere espressa in termini di temperature assolute:

η _R = 1 / ((T _H / T _L ) - 1),

η _HP = 1 / (1 - (T _L / T _H )),

dove T _N = temperatura assoluta in un serbatoio ad alta temperatura;
T _L = temperatura assoluta nel serbatoio a bassa temperatura.

η _R (o η _HP ) sono la massima efficienza del frigorifero (o della pompa di calore) che possono raggiungere operando tra un serbatoio ad alta temperatura a temperatura T _H e un serbatoio a bassa temperatura a temperatura T _L. Tutti i frigoriferi o pompe di calore irreversibili che operano tra gli stessi due serbatoi hanno un'efficienza inferiore.

Frigorifero domestico

L'idea di base di un frigorifero domestico è semplice: utilizza l'evaporazione del refrigerante per assorbire il calore dallo spazio refrigerato nel frigorifero. Ci sono quattro parti principali in ogni frigorifero:

• Compressor.
• Radiatore tubolare esterno al frigorifero.
• Valvola di espansione
• Tubi per trasferimento di calore all'interno del frigorifero.

Ciclo inverso di Carnot quando il frigorifero funziona nel seguente ordine:

• Compressione adiabatica Il compressore comprime il vapore del refrigerante aumentandone la temperatura e la pressione.
• Compressione isotermica I vapori di refrigerante compressi ad alta temperatura e compressori dissipano il calore nell'ambiente (serbatoio ad alta temperatura) mentre fluisce attraverso il radiatore all'esterno del frigorifero. Il vapore refrigerante è condensato (compresso) nella fase liquida.
• Espansione adiabatica. Il refrigerante liquido scorre attraverso la valvola di espansione per ridurne la pressione.
• Espansione isotermica. Il refrigerante liquido freddo evapora mentre passa attraverso i tubi di scambio termico all'interno del frigorifero. Nel processo di evaporazione, la sua energia interna cresce, e questa crescita è assicurata dalla rimozione di calore dallo spazio interno del frigorifero (serbatoio a bassa temperatura), in conseguenza del quale si raffredda. Quindi il gas entra nel compressore per comprimerlo nuovamente. Il ciclo di Carnot inverso viene ripetuto.