- สูตร
- การขยายตัวของความร้อนใต้พิภพ (A → B)
- การขยายตัวของอะเดียแบติก (B → C)
- การบีบอัดไอโซเทอร์มอล (C → D)
- การบีบอัดอะเดียแบติก (D → A)
- เครื่อง Carnot ทำงานอย่างไร?
- การประยุกต์ใช้งาน
- อ้างอิง
เครื่อง Carnotเป็นวงจรแบบที่เหมาะในการที่ความร้อนจะใช้ในการทำผลงาน ระบบสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นลูกสูบที่เคลื่อนที่ภายในกระบอกสูบที่บีบอัดก๊าซ วงจรที่ใช้เป็นของ Carnot ซึ่งได้รับการตีแผ่โดยบิดาแห่งอุณหพลศาสตร์นักฟิสิกส์และวิศวกรชาวฝรั่งเศส Nicolas Léonard Sadi Carnot
Carnot อธิบายวงจรนี้ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 เครื่องอยู่ภายใต้สถานะการเปลี่ยนแปลงสี่แบบเงื่อนไขที่สลับกันเช่นอุณหภูมิและความดันคงที่ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรจะเห็นได้ชัดเมื่อบีบอัดและขยายก๊าซ
Nicolas Léonard Sadi Carnot
สูตร
จากข้อมูลของ Carnot การใช้เครื่องจักรที่เหมาะสมกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันจึงเป็นไปได้ที่จะเพิ่มประสิทธิภาพที่ได้รับ
วัฏจักรคาร์โนต์จะต้องได้รับการวิเคราะห์แยกกันในแต่ละขั้นตอนทั้งสี่ขั้นตอน ได้แก่ การขยายตัวของความร้อนใต้พิภพการขยายตัวของอะเดียแบติกการบีบอัดความร้อนใต้พิภพและการบีบอัดอะเดียแบติก
สูตรที่เกี่ยวข้องกับแต่ละขั้นตอนของวงจรที่ดำเนินการในเครื่อง Carnot จะมีรายละเอียดด้านล่าง
การขยายตัวของความร้อนใต้พิภพ (A → B)
สถานที่ของเฟสนี้มีดังต่อไปนี้:
- ปริมาตรแก๊ส: เปลี่ยนจากปริมาตรต่ำสุดไปเป็นปริมาตรปานกลาง
- อุณหภูมิเครื่อง: อุณหภูมิคงที่ T1 ค่าสูง (T1> T2)
- แรงดันเครื่อง: ลดลงจาก P1 เป็น P2
กระบวนการไอโซเทอร์มอลหมายความว่าอุณหภูมิ T1 ไม่เปลี่ยนแปลงในช่วงนี้ การถ่ายเทความร้อนทำให้เกิดการขยายตัวของก๊าซซึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนที่บนลูกสูบและก่อให้เกิดงานเชิงกล
ในขณะที่ก๊าซขยายตัวก็มีแนวโน้มที่จะเย็นลง อย่างไรก็ตามมันจะดูดซับความร้อนที่ปล่อยออกมาจากแหล่งอุณหภูมิและรักษาอุณหภูมิให้คงที่ระหว่างการขยายตัว
เนื่องจากอุณหภูมิยังคงที่ในระหว่างกระบวนการนี้พลังงานภายในของก๊าซจึงไม่เปลี่ยนแปลงและความร้อนทั้งหมดที่ดูดซับโดยก๊าซจะถูกเปลี่ยนเป็นการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น:
ในส่วนของมันเมื่อสิ้นสุดระยะนี้ของวัฏจักรนี้ยังสามารถรับค่าความดันได้โดยใช้สมการของก๊าซในอุดมคติ ดังนั้นเราจึงมีสิ่งต่อไปนี้:
ในนิพจน์นี้:
P 2 : ความดันที่ปลายเฟส
V b : ระดับเสียงที่จุด b
n: จำนวนโมลของก๊าซ
ตอบ: ค่าคงที่สากลของก๊าซในอุดมคติ R = 0.082 (atm * ลิตร) / (โมล * K)
T1: อุณหภูมิเริ่มต้นสัมบูรณ์องศาเคลวิน
การขยายตัวของอะเดียแบติก (B → C)
ในระหว่างขั้นตอนนี้การขยายตัวของก๊าซจะเกิดขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องแลกเปลี่ยนความร้อน ดังนั้นสถานที่มีรายละเอียดด้านล่าง:
- ปริมาตรแก๊ส: เปลี่ยนจากปริมาตรเฉลี่ยไปเป็นปริมาตรสูงสุด
- อุณหภูมิเครื่อง: ลดลงจาก T1 ถึง T2
- แรงดันเครื่อง: แรงดันคงที่ P2
กระบวนการอะเดียแบติกแสดงให้เห็นว่าความดัน P2 ไม่เปลี่ยนแปลงในช่วงนี้ อุณหภูมิจะลดลงและก๊าซยังคงขยายตัวจนกว่าจะถึงปริมาตรสูงสุด นั่นคือลูกสูบถึงจุดหยุด
ในกรณีนี้งานที่ทำมาจากพลังงานภายในของก๊าซและค่าของมันเป็นลบเนื่องจากพลังงานลดลงในระหว่างกระบวนการนี้
สมมติว่าเป็นก๊าซในอุดมคติทฤษฎีนี้ถือได้ว่าโมเลกุลของก๊าซมีพลังงานจลน์เท่านั้น ตามหลักการของอุณหพลศาสตร์สามารถอนุมานได้ด้วยสูตรต่อไปนี้:
ในสูตรนี้:
∆U b → c : การแปรผันของพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติระหว่างจุด b และ c
n: จำนวนโมลของก๊าซ
Cv: โมลาร์ความจุความร้อนของก๊าซ
T1: อุณหภูมิเริ่มต้นสัมบูรณ์องศาเคลวิน
T2: อุณหภูมิสุดท้ายสัมบูรณ์องศาเคลวิน
การบีบอัดไอโซเทอร์มอล (C → D)
ในขั้นตอนนี้การบีบอัดของก๊าซจะเริ่มขึ้น นั่นคือลูกสูบเคลื่อนที่เข้าไปในกระบอกสูบโดยที่ก๊าซจะหดตัวตามปริมาตร
เงื่อนไขโดยธรรมชาติของขั้นตอนนี้มีรายละเอียดด้านล่าง:
- ปริมาตรแก๊ส: เปลี่ยนจากปริมาตรสูงสุดไปยังปริมาตรกลาง
- อุณหภูมิเครื่อง: อุณหภูมิคงที่ T2, ค่าที่ลดลง (T2 <T1)
- แรงดันเครื่อง: เพิ่มขึ้นจาก P2 เป็น P1
ที่นี่ความดันของก๊าซเพิ่มขึ้นดังนั้นจึงเริ่มบีบอัด อย่างไรก็ตามอุณหภูมิยังคงคงที่ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของก๊าซจึงเป็นศูนย์
คล้ายกับการขยายตัวของความร้อนใต้พิภพงานที่ทำจะเท่ากับความร้อนของระบบ ดังนั้น:
นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะหาความดัน ณ จุดนี้โดยใช้สมการของก๊าซในอุดมคติ
การบีบอัดอะเดียแบติก (D → A)
เป็นช่วงสุดท้ายของกระบวนการซึ่งระบบจะกลับสู่เงื่อนไขเริ่มต้น สำหรับสิ่งนี้จะพิจารณาเงื่อนไขต่อไปนี้:
- ปริมาตรของก๊าซ: เปลี่ยนจากปริมาตรกลางไปเป็นปริมาตรต่ำสุด
- อุณหภูมิเครื่อง: เพิ่มขึ้นจาก T2 เป็น T1
- แรงดันเครื่อง: แรงดันคงที่ P1
แหล่งความร้อนที่รวมอยู่ในระบบในเฟสก่อนหน้าจะถูกถอนออกเพื่อให้ก๊าซในอุดมคติเพิ่มอุณหภูมิตราบเท่าที่ความดันยังคงที่
ก๊าซจะกลับสู่สภาวะเริ่มต้นของอุณหภูมิ (T1) และปริมาตร (ต่ำสุด) อีกครั้งงานที่ทำมาจากพลังงานภายในของก๊าซดังนั้นคุณต้อง:
เช่นเดียวกับกรณีของการขยายตัวของอะเดียแบติกเป็นไปได้ที่จะได้รับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานก๊าซโดยใช้นิพจน์ทางคณิตศาสตร์ต่อไปนี้:
เครื่อง Carnot ทำงานอย่างไร?
เครื่องยนต์ของ Carnot ทำงานเป็นเครื่องยนต์ที่เพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดโดยกระบวนการไอโซเทอร์มอลและอะเดียแบติกที่แตกต่างกันสลับขั้นตอนการขยายตัวและการบีบอัดของก๊าซในอุดมคติ
กลไกนี้สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นอุปกรณ์ในอุดมคติที่ทำงานภายใต้การแปรผันของความร้อนเนื่องจากมีแหล่งอุณหภูมิสองแหล่ง
ในโฟกัสแรกระบบสัมผัสกับอุณหภูมิ T1 เป็นอุณหภูมิที่สูงซึ่งทำให้เกิดความเครียดในระบบและทำให้ก๊าซขยายตัว
ในทางกลับกันสิ่งนี้แปลเป็นการทำงานของกลไกที่ช่วยให้การเคลื่อนย้ายลูกสูบออกจากกระบอกสูบและการหยุดจะทำได้โดยการขยายตัวแบบอะเดียแบติกเท่านั้น
จากนั้นโฟกัสที่สองซึ่งระบบสัมผัสกับอุณหภูมิ T2 ต่ำกว่า T1; นั่นคือกลไกต้องระบายความร้อน
สิ่งนี้ทำให้เกิดการสกัดความร้อนและการบดของก๊าซซึ่งจะถึงปริมาตรเริ่มต้นหลังจากการบีบอัดอะเดียแบติก
การประยุกต์ใช้งาน
เครื่อง Carnot ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีส่วนช่วยในการทำความเข้าใจในส่วนที่สำคัญที่สุดของอุณหพลศาสตร์
แบบจำลองนี้ช่วยให้เข้าใจอย่างชัดเจนเกี่ยวกับรูปแบบของก๊าซในอุดมคติซึ่งอาจมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันทำให้เป็นวิธีอ้างอิงเมื่อออกแบบเครื่องยนต์จริง
อ้างอิง
- Carnot Heat Engine Cycle และกฎข้อที่ 2 (sf) กู้คืนจาก: nptel.ac.in
- Castellano, G. (2018). เครื่อง Carnot. ดึงมาจาก: famaf.unc.edu.ar
- วงจร Carnot (sf) หายขาด ฮาวานาคิวบา กู้คืนจาก: ecured.cu
- วงจร Carnot (nd) กู้คืนจาก: sc.ehu.es
- ฟาวเลอร์, M. (nd). เครื่องยนต์ความร้อน: วงจร Carnot สืบค้นจาก: galileo.phys.virginia.edu
- Wikipedia, สารานุกรมเสรี (2016). เครื่อง Carnot. สืบค้นจาก: es.wikipedia.org