- Công thức
- Sự giãn nở đẳng nhiệt (A → B)
- Mở rộng đoạn nhiệt (B → C)
- Nén đẳng nhiệt (C → D)
- Nén đoạn nhiệt (D → A)
- Máy Carnot hoạt động như thế nào?
- Các ứng dụng
- Người giới thiệu
Máy Carnot là một mô hình chu kỳ lý tưởng trong đó nhiệt được sử dụng để thực hiện công việc. Hệ thống có thể hiểu là một piston chuyển động bên trong xylanh nén một chất khí. Chu trình được thực hiện là của Carnot, do cha đẻ của nhiệt động lực học, nhà vật lý và kỹ sư người Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot đưa ra.
Carnot đưa ra chu kỳ này vào đầu thế kỷ 19. Máy phải chịu bốn sự thay đổi trạng thái, điều kiện luân phiên như nhiệt độ và áp suất không đổi, trong đó sự thay đổi của thể tích thể hiện rõ khi nén và giãn nở khí.
Nicolas Léonard Sadi Carnot
Công thức
Theo Carnot, việc để chiếc máy lý tưởng chịu sự thay đổi của nhiệt độ và áp suất là có thể tối đa hóa hiệu suất thu được.
Chu trình Carnot phải được phân tích riêng biệt theo từng giai đoạn trong số bốn giai đoạn của nó: giãn nở đẳng nhiệt, giãn nở đoạn nhiệt, nén đẳng nhiệt và nén đoạn nhiệt.
Các công thức liên quan đến từng giai đoạn của chu trình được thực hiện trong máy Carnot sẽ được trình bày chi tiết dưới đây.
Sự giãn nở đẳng nhiệt (A → B)
Cơ sở của giai đoạn này như sau:
- Thể tích khí: nó đi từ thể tích tối thiểu sang thể tích trung bình.
- Nhiệt độ máy: nhiệt độ không đổi T1, giá trị cao (T1> T2).
- Áp suất máy: giảm từ P1 đến P2.
Quá trình đẳng nhiệt ngụ ý rằng nhiệt độ T1 không thay đổi trong giai đoạn này. Sự truyền nhiệt tạo ra sự nở ra của chất khí, tạo ra chuyển động trên piston và tạo ra công cơ học.
Khi chất khí nở ra, nó có xu hướng lạnh đi. Tuy nhiên, nó hấp thụ nhiệt do nguồn nhiệt độ tỏa ra và duy trì nhiệt độ không đổi trong quá trình giãn nở.
Vì nhiệt độ không đổi trong suốt quá trình này nên nội năng của khí không thay đổi, và tất cả nhiệt lượng mà khí hấp thụ được chuyển hóa thành công. Vì thế:
Về phần mình, ở cuối giai đoạn này của chu kỳ, cũng có thể nhận được giá trị áp suất bằng cách sử dụng phương trình khí lý tưởng. Do đó, chúng tôi có những điều sau:
Trong biểu thức này:
P 2 : Áp suất cuối pha.
V b : Thể tích tại điểm b.
n: Số mol của khí.
A: Hằng số phổ của khí lý tưởng. R = 0,082 (atm * lít) / (mol * K).
T1: nhiệt độ ban đầu tuyệt đối, độ Kelvin.
Mở rộng đoạn nhiệt (B → C)
Trong giai đoạn này của quá trình, quá trình nở khí diễn ra mà không cần trao đổi nhiệt. Như vậy, mặt bằng chi tiết dưới đây:
- Thể tích chất khí: nó đi từ thể tích trung bình thành thể tích cực đại.
- Nhiệt độ máy: giảm từ T1 đến T2.
- Áp suất máy: áp suất không đổi P2.
Quá trình đoạn nhiệt ngụ ý rằng áp suất P2 không thay đổi trong giai đoạn này. Nhiệt độ giảm và chất khí tiếp tục nở ra cho đến khi đạt thể tích cực đại; nghĩa là, piston đến điểm dừng.
Trong trường hợp này, công thực hiện đến từ nội năng của chất khí và giá trị của nó là âm vì năng lượng giảm trong quá trình này.
Giả sử nó là khí lý tưởng, lý thuyết cho rằng các phân tử khí chỉ có động năng. Theo nguyên lý của nhiệt động lực học, điều này có thể được suy ra theo công thức sau:
Trong công thức này:
∆U b → c : Độ biến thiên nội năng của khí lý tưởng giữa điểm b và c.
n: Số mol của khí.
Cv: Nhiệt dung mol của chất khí.
T1: nhiệt độ ban đầu tuyệt đối, độ Kelvin.
T2: Nhiệt độ cuối cùng tuyệt đối, độ Kelvin.
Nén đẳng nhiệt (C → D)
Trong giai đoạn này, quá trình nén khí bắt đầu; nghĩa là, piston chuyển động vào trong xi lanh, nhờ đó khí co thể tích của nó.
Các điều kiện vốn có trong giai đoạn này của quá trình được trình bày chi tiết dưới đây:
- Thể tích chất khí: nó đi từ thể tích cực đại thành thể tích trung gian.
- Nhiệt độ máy: nhiệt độ không đổi T2, giá trị giảm (T2 <T1).
- Áp suất máy: tăng từ P2 đến P1.
Ở đây áp suất trên chất khí tăng lên, vì vậy nó bắt đầu nén. Tuy nhiên, nhiệt độ không đổi và do đó, độ biến thiên nội năng của chất khí bằng không.
Tương tự với sự giãn nở đẳng nhiệt, công thực hiện bằng nhiệt của hệ. Vì thế:
Nó cũng khả thi để tìm áp suất tại thời điểm này bằng cách sử dụng phương trình khí lý tưởng.
Nén đoạn nhiệt (D → A)
Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình, trong đó hệ thống trở lại điều kiện ban đầu của nó. Đối với điều này, các điều kiện sau được xem xét:
- Thể tích của chất khí: nó đi từ thể tích trung gian thành thể tích cực tiểu.
- Nhiệt độ máy: tăng từ T2 đến T1.
- Áp suất máy: áp suất không đổi P1.
Nguồn nhiệt kết hợp trong hệ thống ở giai đoạn trước được rút đi, do đó khí lý tưởng sẽ tăng nhiệt độ của nó miễn là áp suất không đổi.
Khí trở về điều kiện ban đầu là nhiệt độ (T1) và thể tích (cực tiểu). Một lần nữa, công việc được thực hiện đến từ nội năng của khí, vì vậy bạn phải:
Tương tự như trường hợp giãn nở đoạn nhiệt, có thể thu được sự biến thiên của năng lượng khí bằng biểu thức toán học sau:
Máy Carnot hoạt động như thế nào?
Động cơ của Carnot hoạt động như một động cơ trong đó hiệu suất được tối đa hóa bằng các quá trình đẳng nhiệt và đoạn nhiệt khác nhau, xen kẽ các pha giãn nở và nén của khí lý tưởng.
Cơ chế này có thể được hiểu là một thiết bị lý tưởng thực hiện công việc chịu sự thay đổi nhiệt, với sự tồn tại của hai nguồn nhiệt độ.
Trong tiêu điểm đầu tiên, hệ thống được tiếp xúc với nhiệt độ T1. Nhiệt độ cao gây căng thẳng cho hệ thống và làm cho khí nở ra.
Đổi lại, điều này chuyển thành việc thực hiện một công cơ học cho phép chuyển động của piston ra khỏi xi lanh, và điểm dừng của nó chỉ có thể thực hiện được thông qua sự giãn nở đoạn nhiệt.
Sau đó đến tiêu điểm thứ hai, trong đó hệ thống được tiếp xúc với nhiệt độ T2, thấp hơn T1; nghĩa là, cơ chế được làm mát.
Điều này tạo ra sự tách nhiệt và nghiền nhỏ khí, khí đạt thể tích ban đầu sau khi nén đoạn nhiệt.
Các ứng dụng
Máy Carnot đã được sử dụng rộng rãi nhờ đóng góp vào sự hiểu biết về các khía cạnh quan trọng nhất của nhiệt động lực học.
Mô hình này cho phép hiểu rõ ràng về các biến thể của khí lý tưởng chịu sự thay đổi của nhiệt độ và áp suất, làm cho nó trở thành một phương pháp tham khảo khi thiết kế động cơ thực.
Người giới thiệu
- Chu trình động cơ nhiệt Carnot và định luật thứ 2 (sf). Được khôi phục từ: nptel.ac.in
- Castellano, G. (2018). Máy Carnot. Được khôi phục từ: famaf.unc.edu.ar
- Chu trình Carnot (sf) .Ecured. Havana Cuba. Đã khôi phục từ: ecured.cu
- Chu trình Carnot (nd). Khôi phục từ: sc.ehu.es
- Fowler, M. (nd). Động cơ nhiệt: Chu trình Carnot. Được khôi phục từ: galileo.phys.virginia.edu
- Wikipedia, Bách khoa toàn thư miễn phí (2016). Máy Carnot. Phục hồi từ: es.wikipedia.org