მიუხედავად იმისა, რომ ფიზიკა გამოიყენება რთული, რეალურ სამყაროში არსებული სისტემების აღსაწერად, ბევრი პრობლემა, რომელსაც რეალურ ცხოვრებაში შეხვდებით, პირველად გადაჭრილ იქნა დაახლოების და გამარტივების გამოყენებით. ეს არის ერთ – ერთი უდიდესი უნარი, რომელსაც შეისწავლით როგორც ფიზიკოსი: გაბურღვის უნარი ყველაზე მნიშვნელოვან საკითხამდე პრობლემის კომპონენტები და დატოვეთ ყველა ბინძური დეტალი ამის შემდეგ, როდესაც უკვე კარგად გაეცანით როგორ სისტემა მუშაობს.
ასე რომ, სანამ შეიძლება იფიქროთ იმაზე, რომ ფიზიკოსი ცდილობს თერმოდინამიკური პროცესის გაგებას, როგორც ზოგიერთისთვის დიდ ბრძოლას უფრო გრძელი განტოლებებიც, სინამდვილეში, რეალურ ცხოვრებაში ფიზიკოსი უფრო მეტად განიხილავს პრობლემას ისეთი იდეალიზაციის გამოყენებით, როგორიცააკარნოტის ციკლი.
კარნოტის ციკლი არის სპეციალური სითბოს ძრავის ციკლი, რომელიც უგულებელყოფს სირთულეებს, რომლებიც მოდის მეორე კანონიდან თერმოდინამიკა - ყველა დახურული სისტემის ტენდენცია დროთა განმავლობაში ენტროპიის მომატებისკენ - და უბრალოდ ვიღებთ მაქსიმალურ ეფექტურობას სისტემისთვის. ეს საშუალებას აძლევს ფიზიკოსებს თერმოდინამიკური პროცესი განიხილონ, როგორც ა
შექცევადი ციკლი, რაც გაცილებით მარტივს კონცეპტუალურად გამოთვლასა და გაგებას, რეალურ სისტემებამდე მისვლის წინ და ჩვეულებრივ შეუქცევადი პროცესები, რომლებიც მათ არეგულირებს.კარნოტის ციკლთან მუშაობის სწავლა გულისხმობს შექცევადი პროცესების ბუნებას, როგორიცაა ადიაბატური და იზოთერმული პროცესები და კარნო ციკლის ეტაპები.
სითბოს ძრავები
სითბოს ძრავა არის თერმოდინამიკური სისტემის ტიპი, რომელიც სითბოს ენერგიას აქცევს მექანიკურ ენერგიად, ხოლო რეალურ ცხოვრებაში ძრავების უმეტესობა, მათ შორის ავტომობილების ძრავები, წარმოადგენს ზოგიერთი ტიპის სითბოს ძრავას.
მას შემდეგ, რაცპირველი კანონითერმოდინამიკის თანახმად, ენერგია არ იქმნება, უბრალოდ გარდაიქმნება ერთი ფორმიდან მეორეში (რადგან იგი აღნიშნავს კონსერვაციას ენერგია), სითბოს ძრავა არის გამოსადეგი ენერგიის მოპოვების ენერგიის ფორმა, რომლის გამომუშავება უფრო ადვილია, ამ შემთხვევაში, სიცხე მარტივად რომ ვთქვათ, ნივთიერების გათბობა იწვევს მის გაფართოებას და ამ გაფართოების ენერგია აითვისება მექანიკური ენერგიის გარკვეულ ფორმაში, რომელსაც შეუძლია სხვა სამუშაოს შესრულება.
სითბოს ძრავის ძირითადი თეორიული ნაწილებია სითბოს აბაზანა ან მაღალი ტემპერატურის სითბოს წყარო, დაბალი ტემპერატურის ცივი რეზერვუარი და თავად ძრავა, რომელიც შეიცავს გაზს. სითბოს აბაზანა ან სითბოს წყარო სითბოს ენერგიას გადასცემს გაზს, რაც იწვევს გაფართოებას, რომელიც დგუშს მართავს. ამ გაფართოებას ძრავა აკეთებსმუშაობაგარემოზე და ამ პროცესში იგი ათავისუფლებს სითბოს ენერგიას ცივ წყალსაცავში, რაც სისტემას უბრუნებს საწყის მდგომარეობას.
შექცევადი პროცესები
სითბოს ძრავის ციკლში შეიძლება მრავალი განსხვავებული თერმოდინამიკური პროცესი იყოს, მაგრამ კარნოტის იდეალიზირებული ციკლი - სახელწოდებით "თერმოდინამიკის მამის" ნიკოლას ლეონარდ სადი კარნო - მოიცავსშექცევადი პროცესები. ზოგადად, რეალური პროცესები არ არის შექცევადი, რადგან სისტემაში ნებისმიერი ცვლილება იზრდება ენტროპია, მაგრამ თუ პროცესები თეორიულად სრულყოფილად მიიჩნევა, მაშინ ეს გართულება შეიძლება იყოს უგულებელყოფილია.
შექცევადი პროცესია ის, რაც არსებითად შეიძლება განხორციელდეს "დროში უკან" სისტემის დასაწყისში დაბრუნების მიზნით თერმოდინამიკის მეორე კანონის (ან ფიზიკის ნებისმიერი სხვა კანონის) დარღვევის გარეშე.
იზოთერმული პროცესი შექცევადი პროცესის მაგალითია, რომელიც ხდება მუდმივ ტემპერატურაზე. ეს შეუძლებელია რეალურ ცხოვრებაში, რადგან გარემოსთან თერმული წონასწორობის შენარჩუნების მიზნით, პროცესის დასრულებას უსასრულო დრო დასჭირდება. პრაქტიკაში, თქვენ შეგიძლიათ დაახლოვდეთ იზოთერმული პროცესს, თუ ის მოხდება ძალიან, ძალიან ნელა, მაგრამ როგორც ა თეორიული კონსტრუქცია, ის მუშაობს საკმარისად კარგად, რათა გახდეს ინსტრუმენტი რეალურ თერმოდინამიკის გაგებისთვის პროცესები.
ადიაბატური პროცესია ის, რაც ხდება სისტემასა და გარემოს შორის სითბოს გადაცემის გარეშე. კიდევ ერთხელ, ეს ნამდვილად არ არის შესაძლებელი, რადგან ყოველთვის იქნებაზოგიერთისითბოს გადაცემა რეალურ სისტემაში და რომ ეს მართლაც მოხდეს, ეს მომენტალურად უნდა მოხდეს. მაგრამ, როგორც იზოთერმული პროცესის შემთხვევაში, ეს შეიძლება იყოს სასარგებლო მიახლოება რეალურ სამყაროში თერმოდინამიკური პროცესისთვის.
კარნოტის ციკლის მიმოხილვა
კარნოტის ციკლი არის იდეალიზებული, მაქსიმალურად ეფექტური სითბური ძრავის ციკლი, რომელიც შედგება ადიაბატური და იზოთერმული პროცესებისგან. ეს არის მარტივი გზა რეალურ სამყაროში სითბოს ძრავის აღსაწერად (და მსგავსი ძრავა ზოგჯერ Carnot ძრავასაც უწოდებენ), იდეალიზაციებით, უბრალოდ უზრუნველყოფილია, რომ იგი მთლიანად შექცევადი ციკლია. ეს ასევე აადვილებს თერმოდინამიკის პირველი კანონისა და გაზის იდეალური კანონის გამოყენებას.
ზოგადად, კარნო ძრავა აგებულია გაზის ცენტრალურ რეზერვუარზე, თავზე დგუში დართულია, რომელიც მოძრაობს გაზის გაფართოების და შეკუმშვის დროს.
ეტაპი 1: იზოთერმული გაფართოება
კარნოტის ციკლის პირველ ეტაპზე სისტემის ტემპერატურა უცვლელი რჩება (ეს არის ან იზოთერმული პროცესი) სისტემის გაფართოებისას, ცხელი წყალსაცავიდან სითბოს ენერგიის მოზიდვა და მისი გარდაქმნა მუშაობაში. სითბოს ძრავაში მუშაობა მხოლოდ მაშინ ხდება, როდესაც აირის მოცულობა შეიცვლება, ამიტომ ამ ეტაპზე ძრავა გაფართოებისთანავე მუშაობს გარემოზე.
ამასთან, იდეალური გაზის შიდა ენერგია მხოლოდ მის ტემპერატურაზეა დამოკიდებული და ამიტომ იზოთერმული პროცესის დროს, სისტემის შინაგანი ენერგია მუდმივი რჩება. აღნიშნავენ, რომ თერმოდინამიკის პირველი კანონი ამბობს, რომ:
=U = Q - W
სადუარის შინაგანი ენერგიის ცვლილება,Qარის სითბო დამატებული დავარის შესრულებული სამუშაო,უ= 0 ეს იძლევა:
Q = W
ან სიტყვებით, სისტემაში სითბოს გადაცემა ტოლია სისტემის მიერ გარემოზე შესრულებული სამუშაოს. თუ თქვენ არ გსურთ პირდაპირ გამოიყენოთ სითბო (ან პრობლემა არ მოგცემთ საკმარის ინფორმაციას ამის გამოსათვლელად), შეგიძლიათ გამოთვალოთ სისტემის მიერ გარემოს შესრულებული სამუშაო გამონათქვამის გამოყენებით:
W = nRT_ {high} \ ln \ bigg (\ frac {V_2} {V_1} \ bigg)
სადთმაღალი ეხება ტემპერატურას ციკლის ამ ეტაპზე (ტემპერატურა მცირდებათდაბალი მოგვიანებით, ასე რომ თქვენ მას "მაღალ ტემპერატურას" უწოდებთ),ნარის ძრავის მოლების რაოდენობა,რარის გაზის უნივერსალური მუდმივა,ვ2 არის საბოლოო ტომი დავ1 საწყისი ტომია.
ეტაპი 2: ისენტროპიული ან ადიაბატური გაფართოება
ამ ეტაპზე, სიტყვა "ისენტროპიული" ან "ადიაბატური" გეუბნებათ, რომ სისტემაში სითბო არ იცვლება და მისი შემოგარენში, ასე რომ, პირველი კანონის თანახმად, შინაგანი ენერგიის მთლიან ცვლილებას სისტემის მუშაობა იძლევა აკეთებს
სისტემა ფართოვდება ადიაბატურად, ამიტომ მოცულობის ზრდა (და შესაბამისად შესრულებული სამუშაო) იწვევს სისტემის შიგნით ტემპერატურის შემცირებას. თქვენ ასევე შეგიძლიათ იფიქროთ ტემპერატურის სხვაობაზე პროცესის დასაწყისიდან ბოლომდე, როგორც სისტემის შიდა ენერგიის შემცირების ახსნა, გამოხატვის მიხედვით:
=U = \ frac {3} {2} nR∆T
სადთარის ტემპერატურის ცვლილება. ეს ორი ფაქტი გულისხმობს სისტემის მიერ შესრულებულ სამუშაოს (ვ) შეიძლება დაკავშირებული იყოს ტემპერატურის ცვლილებასთან და ამის გამოხატულებაა:
W = nC_v∆T
სადგვ არის სითბოს ტევადობა ნივთიერებისათვის მუდმივი მოცულობის დროს. გახსოვდეთ, რომ შესრულებული სამუშაო უარყოფითად აღიქმება, რადგან შესრულებულიაავტორისისტემა ვიდრეჩართულიის, რასაც ავტომატურად გვაძლევს ის ფაქტი, რომ ტემპერატურა მცირდება.
ამას "იზენტროპიულსაც" უწოდებენ, რადგან ამ პროცესის განმავლობაში სისტემის ენტროპია იგივე რჩება, რაც ნიშნავს, რომ იგი მთლიანად შექცევადია.
ეტაპი 3: იზოთერმული კომპრესია
იზოთერმული კომპრესია არის მოცულობის შემცირება, ხოლო სისტემა ინახება მუდმივ ტემპერატურაზე. ამასთან, გაზზე ზეწოლის გაზრდისას, ამას, როგორც წესი, თან ახლავს ტემპერატურის მომატება და ამიტომ დამატებითი სითბოს ენერგია სადმე უნდა წავიდეს. კარნოტის ციკლის ამ ეტაპზე დამატებითი სითბო გადადის ცივ წყალსაცავში და მისი თვალსაზრისით პირველი კანონი, აღსანიშნავია, რომ გაზის შეკუმშვის მიზნით, გარემო უნდა მუშაობდეს სისტემაზე.
როგორც ციკლის იზოთერმული ნაწილი, სისტემის შინაგანი ენერგია მუდმივი რჩება მთელი პერიოდის განმავლობაში. როგორც ადრე, ეს ნიშნავს, რომ სისტემის მიერ შესრულებული სამუშაო ზუსტად გაწონასწორებულია სისტემისთვის დაკარგული სითბით, თერმოდინამიკის პირველი კანონით. პროცესის ამ ნაწილის ანალოგიური გამოხატულებაა 1-ე ეტაპზე:
W = nRT_ {დაბალი} \ ln \ bigg (\ frac {V_4} {V_3} \ bigg)
Ამ შემთხვევაში,თდაბალი არის ქვედა ტემპერატურა,ვ3 არის საწყისი ტომი დავ4 არის საბოლოო ტომი. გაითვალისწინეთ, რომ ამჯერად, ბუნებრივი ლოგარითმის ტერმინი გამოვა უარყოფითი შედეგით, რაც ასახავს იმ ფაქტს, რომ ინ ამ შემთხვევაში, სისტემაზე მუშაობს გარემო, ხოლო სითბო გადადის სისტემაში გარემო
ეტაპი 4: ადიაბატური შეკუმშვა
საბოლოო ეტაპი მოიცავს ადიაბატურ შეკუმშვას, ან სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, სისტემა იკუმშება მასზე სამუშაოს შესრულების გამო,არასითბოს გადაცემა ორს შორის. ეს ნიშნავს, რომ აირის ტემპერატურა იზრდება და, ამრიგად, ხდება სისტემის შიდა ენერგიის ცვლილება. იმის გამო, რომ პროცესის ამ ნაწილში სითბოს გაცვლა არ ხდება, შინაგანი ენერგიის ცვლილება მთლიანად სისტემაში შესრულებული სამუშაოდან მოდის.
მე -2 ეტაპის ანალოგიური გზით, თქვენ შეგიძლიათ დაუკავშიროთ ტემპერატურის ცვლილებას სისტემაში შესრულებულ სამუშაოს და სინამდვილეში გამოხატვა ზუსტად იგივეა:
W = nC_v∆T
ამასთან, ამ დროს უნდა გახსოვდეთ, რომ ტემპერატურის ცვლილება დადებითია, ამიტომ შინაგანი ენერგიის ცვლილებაც პოზიტიურია, განტოლების მიხედვით:
=U = \ frac {3} {2} nR∆T
ამ ეტაპზე სისტემა დაუბრუნდა საწყის მდგომარეობას და ეს არის საწყისი შინაგანი ენერგია, მოცულობა და წნევა. კარნოტის ციკლი ქმნის დახურულ მარყუჟს აPV-დიაგრამა (წნევის ნაკვეთი vs. მოცულობა) ან მართლაც ტემპერატურის T-S დიაგრამაზე. ენტროპია.
კარნოტის ეფექტურობა
კარნოტის სრულ ციკლში, შინაგანი ენერგიის მთლიანი ცვლილება ნულის ტოლია, რადგან საბოლოო და საწყისი მდგომარეობა ერთნაირია. ოთხივე ეტაპიდან შესრულებული სამუშაოს დამატება და დამახსოვრება, რომ 1 და 3 ეტაპზე ნამუშევარი ტოლია გადაცემული სითბოს, შესრულებულ სამუშაოებს იძლევა:
\ დაწყება {გასწორება} W & = Q_h + nC_v∆T - Q_c - nC_v∆T \\ & = Q_h- Q_c \ დასრულება {გასწორებული}
სადQთ არის სისტემაში სითბოს დამატებული 1 დაQგ არის 3-ე ეტაპზე სისტემისგან დაკარგული სითბო, ხოლო მე-2 და მე -4 ეტაპებზე გამონათქვამები უქმდება (რადგან ტემპერატურის ცვლილებების ზომა იგივეა). მას შემდეგ, რაც ძრავა შექმნილია სითბოს ენერგიის მუშაობაში გადასაყვანად, თქვენ გამოთვლით კარნოტის ძრავის ეფექტურობას: ეფექტურობა = სამუშაო / დამატებული სითბო, ასე რომ:
\ დაწყება {გასწორება} \ ტექსტი {ეფექტურობა} & = \ frac {W} {Q_h} \\ \\ & = \ frac {Q_h - Q_c} {Q_h} \\ \\ & = 1 - \ frac {T_c} { T_h} \ ბოლო {გასწორებული}
Აქ,თგ არის ცივი წყალსაცავის ტემპერატურა დათთ არის ცხელი წყალსაცავის ტემპერატურა. ეს იძლევა სითბოს ძრავების მაქსიმალური ეფექტურობის ზღვარს, ხოლო გამოხატულება გვიჩვენებს, რომ Carnot ეფექტურობა უფრო მეტია, როდესაც ცხელი და ცივი წყალსაცავების ტემპერატურას შორის სხვაობაა უფრო დიდი