CARNOT MAŠINA: FORMULĖS, KAIP JI VEIKIA IR PROGRAMOS - FIZINIS - 2025

„ Carnot“ mašina yra idealus ciklinis modelis, kurio metu darbui naudojama šiluma. Sistemą galima suprasti kaip stūmoklį, kuris juda baliono viduje, suspaudžiant dujas. Tęsiamas toks ciklas, koks yra Carnot, kurį apibūdina termodinamikos tėvas, prancūzų fizikas ir inžinierius Nicolas Léonard Sadi Carnot.

Carnot apibūdino šį ciklą XIX amžiaus pradžioje. Mašina patiria keturias būsenos variacijas, tokias kintamas sąlygas, kaip temperatūra ir pastovus slėgis, kai suspaudžiant ir plečiant dujas akivaizdus tūrio kitimas.

Nicolas Léonard Sadi Carnot

Formulės

Anot Carnot, pritaikius idealų aparatą temperatūros ir slėgio svyravimams, galima maksimaliai padidinti gautas eksploatacines savybes.

Karnoto ciklas turi būti analizuojamas atskirai kiekvienoje iš keturių jo fazių: izoterminis plėtimasis, adiabatinis plėtimasis, izoterminis suspaudimas ir adiabatinis suspaudimas.

Toliau bus išsamiai aprašytos formulės, susijusios su kiekvienu ciklo etapu, atliktu Carnot mašinoje.

Izoterminis išsiplėtimas (A → B)

Šio etapo patalpos yra šios:

- Dujų tūris: jis pereina nuo minimalaus tūrio iki vidutinio tūrio.

- Mašinos temperatūra: pastovi T1 temperatūra, aukšta vertė (T1> T2).

- Mašinos slėgis: sumažėja nuo P1 iki P2.

Izoterminis procesas reiškia, kad šioje fazėje T1 temperatūra nesikeičia. Šilumos perdavimas skatina dujų išsiplėtimą, kuris skatina judėjimą ant stūmoklio ir sukelia mechaninį darbą.

Kai dujos plečiasi, jos turi tendenciją atvėsti. Tačiau jis sugeria temperatūros šaltinio skleidžiamą šilumą ir palaiko pastovią temperatūrą jo plėtimosi metu.

Kadangi šio proceso metu temperatūra išlieka pastovi, vidinė dujų energija nesikeičia, o visa dujų sugeriama šiluma efektyviai virsta darbu. Taigi:

Kita vertus, šios ciklo fazės pabaigoje slėgio vertę taip pat įmanoma gauti naudojant idealiųjų dujų lygtį. Taigi, mes turime šiuos dalykus:

Šia išraiška:

P ₂ : slėgis fazės pabaigoje.

V _b : tūris taške b.

n: dujų molių skaičius.

A: idealiųjų dujų universalioji konstanta. R = 0,082 (atm * litras) / (moliai * K).

T1: absoliuti pradinė temperatūra, Kelvino laipsniai.

Adiabatinis išsiplėtimas (B → C)

Šiame proceso etape dujos plečiasi nekeičiant šilumos. Taigi, patalpos yra išsamiai aprašytos žemiau:

- Dujų tūris: jis pereina nuo vidutinio tūrio iki maksimalaus tūrio.

- Mašinos temperatūra: nukrenta nuo T1 iki T2.

- Mašinos slėgis: pastovus slėgis P2.

Adiabatinis procesas reiškia, kad šioje fazėje slėgis P2 nesikeičia. Temperatūra mažėja ir dujos toliau plečiasi, kol pasiekia maksimalų tūrį; tai yra, stūmoklis pasiekia sustojimą.

Tokiu atveju atliktas darbas kyla iš dujų vidinės energijos, o jo vertė yra neigiama, nes šio proceso metu energija mažėja.

Darant prielaidą, kad tai yra idealios dujos, teorija tvirtina, kad dujų molekulės turi tik kinetinę energiją. Remiantis termodinamikos principais, tai galima apskaičiuoti pagal šią formulę:

Šioje formulėje:

∆U _{b → c} : idealiųjų dujų vidinės energijos kitimas tarp taškų b ir c.

n: dujų molių skaičius.

Cv: dujų molekulinė šiluminė talpa.

T1: absoliuti pradinė temperatūra, Kelvino laipsniai.

T2: absoliuti galutinė temperatūra, Kelvino laipsniai.

Izoterminis suspaudimas (C → D)

Šioje fazėje prasideda dujų suspaudimas; tai yra, stūmoklis juda į cilindrą, per kurį dujos susitraukia.

Šiam proceso etapui būdingos sąlygos aprašytos toliau:

- Dujų tūris: jis pereina nuo didžiausio tūrio iki tarpinio tūrio.

- Mašinos temperatūra: pastovi T2 temperatūra, sumažinta vertė (T2 <T1).

- Mašinos slėgis: padidėja nuo P2 iki P1.

Čia padidėja slėgis dujoms, todėl jos pradeda suspausti. Tačiau temperatūra išlieka pastovi, todėl vidinis dujų energijos pokytis yra lygus nuliui.

Analogiškai izoterminiam išsiplėtimui, atliktas darbas prilygsta sistemos šilumai. Taigi:

Šioje vietoje slėgį taip pat įmanoma rasti naudojant idealiųjų dujų lygtį.

Adiabatinis suspaudimas (D → A)

Tai yra paskutinis proceso etapas, kurio metu sistema grįžta į pradines sąlygas. Tam laikomos šios sąlygos:

- Dujų tūris: jis pereina nuo vidutinio tūrio iki minimalaus tūrio.

- Mašinos temperatūra: padidėja nuo T2 iki T1.

- Mašinos slėgis: pastovus slėgis P1.

Šilumos šaltinis, įtrauktas į sistemą ankstesnėje fazėje, pašalinamas, kad idealios dujos pakiltų savo temperatūrą tol, kol slėgis išliks pastovus.

Dujos grįžta į pradines temperatūros (T1) ir jų tūrio (mažiausias) sąlygas. Dar kartą, atliktas darbas ateina iš vidinės dujų energijos, todėl jūs turite:

Panašiai kaip ir adiabatinio išsiplėtimo atveju, įmanoma gauti dujų energijos kitimą naudojant šią matematinę išraišką:

Kaip veikia „Carnot“ mašina?

Carnot variklis veikia kaip variklis, kurio našumas maksimaliai padidinamas keičiant izoterminius ir adiabatinius procesus, keičiant idealių dujų išsiplėtimo ir suspaudimo fazes.

Šis mechanizmas gali būti suprantamas kaip idealus įtaisas, kuris atlieka darbą, veikiant šilumos pokyčiams, atsižvelgiant į dviejų temperatūros šaltinių buvimą.

Pirmame fokusavime sistema veikiama T1 temperatūros. Tai yra aukšta temperatūra, kuri sukelia sistemos apkrovą ir sukelia dujų išsiplėtimą.

Savo ruožtu tai reiškia mechaninio darbo, kuris leidžia mobilizuoti stūmoklį iš cilindro, atlikimą ir kurio sustabdymas yra įmanomas tik plečiant adiabatą.

Tada ateina antrasis fokusas, kurio metu sistema veikiama T2, žemesnės nei T1, temperatūros; tai yra, mechanizmas yra aušinamas.

Tai skatina šilumos išsiskyrimą ir susmulkinti dujas, kurios po adiabatinio suspaudimo pasiekia pradinį tūrį.

Programos

„Carnot“ mašina buvo plačiai naudojama dėka jos indėlio į svarbiausių termodinamikos aspektų supratimą.

Šis modelis leidžia aiškiai suprasti idealių dujų, priklausančių nuo temperatūros ir slėgio pokyčių, variacijas, todėl tai yra pamatinis metodas projektuojant tikrus variklius.

Nuorodos

1. Karnoto variklio ciklas ir 2-asis įstatymas (sf). Atkurta iš: nptel.ac.in
2. Castellano, G. (2018). Carnot mašina. Atkurta iš: famaf.unc.edu.ar
3. Karnito ciklas (sf) .Išsaugotas. Havana Kuba. Atkurta iš: ecured.cu
4. Carnot ciklas (nd). Atkurta iš: sc.ehu.es
5. Fowleris, M. (nd). Šilumos varikliai: Carnot Cycle. Atkurta iš: galileo.phys.virginia.edu
6. Vikipedija, nemokama enciklopedija (2016). Carnot mašina. Atkurta iš: es.wikipedia.org