물리학은 복잡한 실제 시스템을 설명하는 데 사용되지만 실제 생활에서 직면하게 될 많은 문제는 근사 및 단순화를 사용하여 먼저 해결되었습니다. 이것은 물리학 자로서 배울 수있는 가장 훌륭한 기술 중 하나입니다. 문제의 구성 요소를 확인하고 문제의 원인을 이미 잘 파악하고있는 경우 나중에 모든 지저분한 세부 정보를 남겨 둡니다. 시스템이 작동합니다.
따라서 열역학적 과정을 이해하려는 물리학자가 더 긴 방정식, 실제로 실제 물리학자는 다음과 같은 이상화를 사용하여 문제를 볼 가능성이 더 높습니다. 그만큼카르노 사이클.
Carnot 사이클은 두 번째 법칙에서 오는 복잡성을 무시하는 특별한 열 엔진 사이클입니다. 열역학 – 모든 폐쇄 시스템이 시간이 지남에 따라 엔트로피가 증가하는 경향이며 단순히 최대 효율을 가정합니다. 시스템. 이것은 물리학 자들이 열역학적 과정을가역 사이클, 실제 시스템과 시스템을 제어하는 일반적으로 되돌릴 수없는 프로세스로 이동하기 전에 개념적으로 사물을 훨씬 쉽게 계산하고 이해할 수 있습니다.
카르노 사이클로 작업하는 방법을 배우는 것은 단열 및 등온 과정과 같은 가역적 과정의 특성과 카르노 사이클의 단계에 대한 학습을 포함합니다.
열 엔진
열 엔진은 열 에너지를 기계 에너지로 바꾸는 열역학 시스템의 일종으로, 자동차 엔진을 포함하여 실생활에서 대부분의 엔진은 일종의 열 엔진입니다.
이후제 1 법칙열역학의 열역학은 에너지가 생성되지 않고 단지 한 형태에서 다른 형태로 변환된다는 것을 알려줍니다. 열 엔진은 생성하기 쉬운 에너지 형태에서 사용 가능한 에너지를 추출하는 한 가지 방법입니다.이 경우에는 열. 간단히 말해서, 물질의 가열은 물질을 팽창시키고이 팽창의 에너지는 다른 작업을 계속할 수있는 어떤 형태의 기계적 에너지로 활용됩니다.
열 엔진의 기본 이론적 부분에는 열 수조 또는 고온 열원, 저온 저온 저장고 및 가스를 포함하는 엔진 자체가 포함됩니다. 열 수조 또는 열원은 열 에너지를 가스로 전달하여 피스톤을 구동하는 팽창으로 이어집니다. 이 확장은 엔진이작업환경과 그 과정에서 열 에너지를 저온 저장소로 방출하여 시스템을 초기 상태로 되돌립니다.
가역 프로세스
열 엔진 사이클에는 다양한 열역학 프로세스가있을 수 있지만, "열역학의 아버지"Nicolas Leonard Sadi Carnot의 이름을 딴 이상적인 카르노 사이클은가역 프로세스. 시스템 변경이 증가하는 경향이 있으므로 실제 프로세스는 일반적으로 되돌릴 수 없습니다. 엔트로피이지만 이론적으로 프로세스가 완벽하다고 가정하면이 복잡성은 무시됩니다.
가역적 프로세스는 열역학 제 2 법칙 (또는 다른 물리 법칙)을 위반하지 않고 시스템을 초기 상태로 되돌리기 위해 본질적으로 "시간을 거꾸로"실행할 수있는 프로세스입니다.
등온 공정은 일정한 온도에서 발생하는 가역 공정의 예입니다. 환경과의 열 평형을 유지하려면 프로세스를 완료하는 데 무한한 시간이 걸리기 때문에 실제 생활에서는 불가능합니다. 실제로 등온 과정이 매우 느리게 발생하도록하여 근사화 할 수 있지만 이론적 구조, 실제 열역학을 이해하는 도구로 사용하기에 충분합니다. 프로세스.
단열 과정은 시스템과 환경 사이의 열 전달없이 발생하는 과정입니다. 다시 말하지만 이것은 항상 가능하기 때문에 불가능합니다.약간실제 시스템에서 열이 전달되고 실제로 발생하려면 즉시 발생해야합니다. 그러나 등온 공정과 마찬가지로 실제 열역학 공정에 대한 유용한 근사치가 될 수 있습니다.
카르노 사이클 개요
Carnot 사이클은 단열 및 등온 공정으로 구성된 이상적이고 최대로 효율적인 열 엔진 사이클입니다. 실제 열 엔진 (그리고 유사한 엔진을 Carnot 엔진이라고도 함)을 설명하는 간단한 방법으로, 단순히 완전히 가역적 사이클이되도록 이상화합니다. 이것은 또한 열역학 제 1 법칙과 이상 기체 법칙을 사용하여 설명하는 것을 더 쉽게 만듭니다.
일반적으로 Carnot 엔진은 가스가 팽창 및 수축 할 때 움직이는 피스톤이 상단에 부착 된 중앙 가스 저장소를 중심으로 제작됩니다.
1 단계: 등온 확장
카르노 사이클의 첫 번째 단계에서 시스템의 온도는 일정하게 유지됩니다. 등온 과정) 시스템이 확장됨에 따라 뜨거운 저장소에서 열 에너지를 끌어와 변환 일에. 열기관에서는 가스의 양이 변할 때만 작업이 이루어 지므로이 단계에서 엔진은 팽창함에 따라 환경에 작용합니다.
그러나 이상 기체의 내부 에너지는 온도에만 의존하므로 등온 과정에서 시스템의 내부 에너지는 일정하게 유지됩니다. 열역학의 첫 번째 법칙은 다음과 같이 말합니다.
∆U = Q-W
어디유내부 에너지의 변화입니다.큐열이 추가되고W∆에 대한 작업입니다.유= 0 이것은 다음을 제공합니다.
Q = W
즉, 시스템으로의 열 전달은 시스템이 환경에서 수행하는 작업과 동일합니다. 열을 직접 사용하지 않으려는 경우 (또는 문제가이를 계산할 충분한 정보를 제공하지 않는 경우) 다음 식을 사용하여 환경에서 시스템이 수행 한 작업을 계산할 수 있습니다.
W = nRT_ {높음} \ ln \ bigg (\ frac {V_2} {V_1} \ bigg)
어디티높은 사이클의이 단계에서 온도를 나타냅니다 (온도가티낮은 나중에이 과정을 "고온"이라고합니다.)엔엔진에있는 가스의 몰수입니다.아르 자형보편적 인 기체 상수,V2 최종 볼륨이고V1 시작 볼륨입니다.
2 단계: 등방성 또는 단열 확장
이 단계에서 "등방성"또는 "단열"이라는 단어는 시스템과 그래서 첫 번째 법칙에 따르면 내부 에너지의 전체 변화는 시스템의 작업에 의해 주어집니다 그렇습니다.
시스템은 단열 적으로 확장되므로 체적 (따라서 수행 된 작업)이 증가하면 시스템 내부의 온도가 감소합니다. 또한 다음 식에 따라 시스템의 내부 에너지 감소를 설명하는 것으로 프로세스의 시작부터 끝까지 온도 차이에 대해 생각할 수 있습니다.
∆U = \ frac {3} {2} nR∆T
어디 ∆티온도의 변화입니다. 이 두 가지 사실은 시스템이 수행 한 작업 (W)는 온도 변화와 관련 될 수 있으며 이에 대한 표현은 다음과 같습니다.
W = nC_v∆T
어디씨V 일정한 부피에서 물질의 열용량입니다. 완료된 작업은 완료 되었기 때문에 부정적인 것으로 간주됩니다.으로시스템보다는의 위에그것은 온도가 감소한다는 사실에 의해 여기에서 자동으로 주어집니다.
이 과정에서 시스템의 엔트로피가 동일하게 유지되어 완전히 가역적이기 때문에 "등 엔트로피"라고도합니다.
3 단계: 등온 압축
등온 압축은 시스템이 일정한 온도로 유지되는 동안 부피 감소입니다. 그러나 가스 압력을 높이면 일반적으로 온도 상승이 수반되므로 추가 열 에너지는 어딘가로 이동해야합니다. 카르노 사이클의이 단계에서 추가 열은 냉장 저장고로 전달됩니다. 첫 번째 법칙은 가스를 압축하기 위해 환경이 시스템에서 작업을 수행해야한다는 점에 주목할 가치가 있습니다.
사이클의 등온 부분으로서 시스템의 내부 에너지는 전체적으로 일정하게 유지됩니다. 이전과 마찬가지로 이것은 시스템이 수행하는 작업이 열역학 제 1 법칙에 따라 시스템에 손실 된 열과 정확히 균형을 이룬다는 것을 의미합니다. 프로세스의이 부분에 대해 1 단계의 것과 유사한 표현이 있습니다.
W = nRT_ {낮음} \ ln \ bigg (\ frac {V_4} {V_3} \ bigg)
이 경우티낮은 더 낮은 온도,V3 시작 볼륨이고V4 최종 볼륨입니다. 이번에는 자연 로그 항이 음의 결과로 나오게되는데, 이는 다음과 같은 사실을 반영합니다. 이 경우 작업은 환경에 의해 시스템에서 수행되고 열은 시스템에서 환경.
4 단계: 단열 압축
마지막 단계는 단열 압축을 포함합니다. 즉, 주변 환경에 의해 수행 된 작업으로 인해 시스템이 압축되지만아니둘 사이의 열 전달. 이것은 가스의 온도가 상승하여 시스템의 내부 에너지에 변화가 있음을 의미합니다. 프로세스의이 부분에는 열 교환이 없기 때문에 내부 에너지의 변화는 전적으로 시스템에서 수행 된 작업에서 비롯됩니다.
2 단계와 유사한 방식으로 온도 변화를 시스템에서 수행 한 작업과 연관시킬 수 있으며 실제로 표현은 정확히 동일합니다.
W = nC_v∆T
그러나 이번에는 온도 변화가 양수이므로 내부 에너지의 변화도 다음 방정식에 의해 양수라는 것을 기억해야합니다.
∆U = \ frac {3} {2} nR∆T
이 시점에서 시스템은 초기 상태로 돌아 왔으므로 초기 내부 에너지, 부피 및 압력입니다. 카르노 사이클은PV-다이어그램 (압력 대 체적) 또는 실제로 온도 대 T-S 다이어그램 엔트로피.
카르노 효율성
전체 카르노 사이클에서 최종 상태와 초기 상태가 동일하기 때문에 내부 에너지의 총 변화는 0입니다. 4 단계 모두에서 수행 한 작업을 추가하고 1 단계와 3 단계에서 작업이 전달 된 열과 동일하다는 것을 기억하면 수행 된 총 작업은 다음과 같이 제공됩니다.
\ begin {aligned} W & = Q_h + nC_v∆T-Q_c-nC_v∆T \\ & = Q_h- Q_c \ end {aligned}
어디큐h 1 단계에서 시스템에 추가 된 열이며큐씨 3 단계의 시스템에서 손실 된 열이고 2 단계와 4 단계의 작업에 대한 표현이 상쇄됩니다 (온도 변화의 크기가 동일하기 때문). 엔진은 열 에너지를 작동으로 전환하도록 설계되었으므로 다음을 사용하여 Carnot 엔진의 효율성을 계산합니다.
\ begin {aligned} \ text {Efficiency} & = \ frac {W} {Q_h} \\ \\ & = \ frac {Q_h-Q_c} {Q_h} \\ \\ & = 1-\ frac {T_c} { T_h} \ 끝 {정렬}
여기,티씨 냉수 통의 온도이고티h 뜨거운 저장소의 온도입니다. 이것은 열기관의 최대 효율의 한계를 제공하며, 그 표현은 Carnot이 고온과 저온 저수지의 온도 차이가 더 큽니다.