Карно двигаталысы: теориялық жылу машинасы, ең тиімді цикл. Карно, Клапейрон, және Клаузиус еңбектері термодинамикалық энтропияны анықтады. Жылу тиімділігі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Теориялық қозғалтқыш
Theoretical engine
Карно жылу қозғалтқышы – Карно циклы бойынша жұмыс істейтін теориялық жылу қозғалтқышы. Бұл қозғалтқыштың негізгі моделін Николя Леонард Сади Карно 1824 жылы жасады. Карно қозғалтқышының моделін 1834 жылы Бенуа Поль Эмиль Клэперон графикалық тұрғыдан кеңейтті, ал 1857 жылы Рудольф Клаузиус математикалық тұрғыдан зерттеді, бұл жұмыс энтропияның термодинамикалық негізгі түсінігіне әкелді. Карно қозғалтқышы – теориялық тұрғыдан мүмкін болатын ең тиімді жылу қозғалтқышы. Оның тиімділігі тек жұмыс істейтін ыстық және суық жылу резервуарларының абсолютті температурасына ғана байланысты. Жылу қозғалтқышы энергияны жылы аймақтан салқын аймаққа беру арқылы, осы энергияның бір бөлігін механикалық жұмысқа айналдырады. Бұл цикл кері қайтаруға болады. Жүйе сыртқы күш әсерімен жұмыс істей алады және осы процесте жылу энергиясын салқын жүйеден жылы жүйеге ауыстыра алады, соның салдарынан жылу қозғалтқышы емес, тоңазытқыш немесе жылу сорғысы ретінде жұмыс істейді. Кез келген термодинамикалық жүйе белгілі бір күйде болады. Термодинамикалық цикл жүйе әртүрлі күйлерден өтіп, соңында бастапқы күйіне оралғанда пайда болады. Осы цикл барысында жүйе қоршаған ортаға жұмыс атқарып, жылу қозғалтқышы ретінде әрекет ете алады. Карно қозғалтқышы – басқа жылу қозғалтқыштарының тиімділік шектерін зерттеуге арналған пайдалы теориялық құрылым. Дегенмен, нақты Карно қозғалтқышын жасау мүлдем іс жүзінде мүмкін емес.
A Carnot heat engine is a theoretical heat engine that operates on the Carnot cycle. The basic model for this engine was developed by Nicolas Léonard Sadi Carnot in 1824. The Carnot engine model was graphically expanded by Benoît Paul Émile Clapeyron in 1834 and mathematically explored by Rudolf Clausius in 1857, work that led to the fundamental thermodynamic concept of entropy. The Carnot engine is the most efficient heat engine which is theoretically possible. The efficiency depends only upon the absolute temperatures of the hot and cold heat reservoirs between which it operates. A heat engine acts by transferring energy from a warm region to a cool region of space and, in the process, converting some of that energy to mechanical work. The cycle may also be reversed. The system may be worked upon by an external force, and in the process, it can transfer thermal energy from a cooler system to a warmer one, thereby acting as a refrigerator or heat pump rather than a heat engine. Every thermodynamic system exists in a particular state. A thermodynamic cycle occurs when a system is taken through a series of different states, and finally returned to its initial state. In the process of going through this cycle, the system may perform work on its surroundings, thereby acting as a heat engine. The Carnot engine is a theoretical construct, useful for exploring the efficiency limits of other heat engines. An actual Carnot engine, however, would be completely impractical to build.
Карноның диаграммасы
Карноның 1824 жылғы "Оттың қозғаушы күші туралы ойлар" еңбегіндегі қосауда "А және В екі денесі бейнеленген, олардың әрқайсысы тұрақты температурада ұсталады, А-ның температурасы В-тің температурасынан жоғары. Біз олардан температурасын өзгертпей жылуды бере алатын немесе алып тастай алатын бұл екі дене екі шексіз жылу резервуарының қызметін атқарады. Біріншісін пеш, екіншісін – тоңазытқыш деп атаймыз". Карно содан кейін А денесінен В денесіне белгілі бір мөлшерде жылуды тасымалдау арқылы қозғаушы күшті, яғни "жұмысты" қалай алуға болатынын түсіндіреді. Ол сонымен қатар салқындатқыш ретінде де жұмыс істейді, демек тоңазытқыш ретінде де қолданылуы мүмкін.
In the adjacent diagram, from Carnot's 1824 work, Reflections on the Motive Power of Fire, there are "two bodies A and B, kept each at a constant temperature, that of A being higher than that of B. These two bodies to which we can give, or from which we can remove the heat without causing their temperatures to vary, exercise the functions of two unlimited reservoirs of caloric. We will call the first the furnace and the second the refrigerator." Carnot then explains how we can obtain motive power, i. e., "work", by carrying a certain quantity of heat from body A to body B. It also acts as a cooler and hence can also act as a refrigerator.
Қазіргі заманғы диаграмма
Алдыңғы суретте Карно өзінің идеалды қозғалтқышын талқылауда қолданған бастапқы поршень және цилиндр диаграммасы көрсетілген. Оң жақтағы суретте Карно қозғалтқышы сияқты кез келген жылу қозғалтқышының блок-схемасы көрсетілген. Диаграммада "жұмыс істейтін дене" (жүйе) – 1850 жылы Клаузиус енгізген термин, кез келген сұйықтық немесе бу болуы мүмкін, арқылы Q жылуы жұмыс жасау үшін беріліп немесе қабылданып, пайдалы жұмыс атқарылады. Карно бұл сұйық дене су буы, спирт буы, сынап буы, тұрақты газ, ауа сияқты кеңеюге қабілетті кез келген зат болуы мүмкін деп болжаған. Сол кездің басында қозғалтқыштар түрлі конструкцияларда кездессе де, әдетте QH қазандық арқылы қамтамасыз етілді, онда отпен су қайнатылды; ал QC көбінесе қозғалтқыштың бөлек бөлігінде орналасқан конденсатор арқылы салқындатылған су ағынымен алынып тасталды. Пайдалы жұмыс, W, поршеньнің қозғалысы арқылы беріледі, ол кранк механизмін айналдырады, одан әрі шкивті қуаттандырып, су тасқан тұз кеніштерден су көтеруге қолданылады. Карно еңбекті "көтерілген салмақтың биіктігі" деп анықтаған.
The previous image shows the original piston and cylinder diagram used by Carnot in discussing his ideal engine. The figure at right shows a block diagram of a generic heat engine, such as the Carnot engine. In the diagram, the "working body" (system), a term introduced by Clausius in 1850, can be any fluid or vapor body through which heat Q can be introduced or transmitted to produce work. Carnot had postulated that the fluid body could be any substance capable of expansion, such as vapor of water, vapor of alcohol, vapor of mercury, a permanent gas, air, etc. Although in those early years, engines came in a number of configurations, typically QH was supplied by a boiler, wherein water was boiled over a furnace; QC was typically removed by a stream of cold flowing water in the form of a condenser located on a separate part of the engine. The output work, W, is transmitted by the movement of the piston as it is used to turn a crank arm, which in turn was typically used to power a pulley so as to lift water out of flooded salt mines. Carnot defined work as "weight lifted through a height".
Карно теоремасы
Карно теоремасы – бұл фактінің формалды тұжырымы: екі жылу резервуары арасында жұмыс істейтін ешқандай қозғалтқыш сол екі резервуар арасында жұмыс істейтін Карно қозғалтқышынан артық тиімділікке ие бола алмайды.
Carnot's theorem is a formal statement of this fact: No engine operating between two heat reservoirs can be more efficient than a Carnot engine operating between the same reservoirs.
Карно қозғалтқышы мен Рудольф Дизель
1892 жылы Рудольф Дизель Карно қозғалтқышынан шабыданған ішкі жану қозғалтқышына патент алды. Дизель Карно қозғалтқышының жасалуы мүмкін емес идеал екенін білгенімен, жұмыс істейтін жуықтап келтіруді ойлап тапқанын санады. Оның принципі дұрыс емес еді, бірақ оны іске асыруға тырысқанда практикалық дизель қозғалтқышын жасады. Концепциялық мәселе – ішкі жану қозғалтқышында изотермиялық кеңеюге қалай қол жеткізу, себебі отынды циклдің ең жоғары температурасында жағу температураны одан әрі көтеретін еді. Дизельдің патенттелген шешімі: ауаны қысып ең жоғары температураға жеткеннен кейін, жанармайдың шағын мөлшерін бақыланатын жылдамдықпен қосу, сонда жанармайдың жануынан туындаған жылу, поршеньнің қозғалысы кезінде ауаның кеңеюінен туындаған салқындаумен теңестіріледі. Осылайша, Карно теоремасының талабына сәйкес, отыннан алынған барлық жылу изотермиялық кеңею кезінде жұмысқа айналады. Бұл идеяның жұмыс істеуі үшін, жанармайдың аз мөлшері ауаның үлкен массасында жағылуы керек еді. Дизель алғашқыда ауаны 250 атмосфераға дейін қысып, содан кейін 1 атмосфераға дейін циклдеуге болатын қозғалтқышты ұсынды. Бірақ бұл сол кездегі технологиялық мүмкіндіктерден асып түсті, себебі бұл 60:1 қысым коэффициентін білдіретін еді. Егер мұндай қозғалтқыш жасалса, оның тиімділігі 73% құрар еді. (Қарама-қарсылығы, сол кездегі ең жақсы бу қозғалтқыштары 7% тиімділікке жетті.) Сондықтан Дизель келісімге келді. Ол ең жоғары қысымды 90 атмосфераға дейін төмендетсе, жылу тиімділігінің тек 5% ғана жоғалатынын есептеді. Қаржылық қолдау іздеп, ол 1893 жылы «Бу қозғалтқышы мен қазіргі барлық жану қозғалтқыштарының орнына қойылатын рационалды жылу қозғалтқышының теориясы мен құрылысы» деген еңбегін жариялады. Лорд Кельвин сияқты ғылыми қоғамның қолдауымен, ол Крупптың қолдауын алды. Дизель Карно циклын символ ретінде сақтады. Бірақ жылдар бойығы тәжірибелік жұмыстар изотермиялық жану қозғалтқышын жасауға сәтті болмады, және бұл мүмкін емес еді, себебі ол ауаның өте көп мөлшерін қажет етеді, оны қысу үшін жеткілікті қуатты дамыта алмайды. Сонымен қатар, жанармайды бақылаумен құю оңай шаруа емес. Дегенмен, дизельдік қозғалтқыш 25 жыл ішінде баяу дамып, практикалық жоғары қысымды ауа қозғалтқышына айналды, оның жанармайы қысым соққысының соңына жақын енгізіліп, қысымның жылуымен тұтанады, 1969 жылға қарай 40% тиімділікке жете алады.
In 1892 Rudolf Diesel patented an internal combustion engine inspired by the Carnot engine. Diesel knew a Carnot engine is an ideal that cannot be built, but he thought he had invented a working approximation. His principle was unsound, but in his struggle to implement it he developed a practical Diesel engine. The conceptual problem was how to achieve isothermal expansion in an internal combustion engine, since burning fuel at the highest temperature of the cycle would only raise the temperature further. Diesel's patented solution was: having achieved the highest temperature just by compressing the air, to add a small amount of fuel at a controlled rate, such that heating caused by burning the fuel would be counteracted by cooling caused by air expansion as the piston moved. Hence all the heat from the fuel would be transformed into work during the isothermal expansion, as required by Carnot's theorem. For the idea to work a small mass of fuel would have to be burnt in a huge mass of air. Diesel first proposed a working engine that would compress air to 250 atmospheres at , then cycle to one atmosphere at However, this was well beyond the technological capabilities of the day, since it implied a compression ratio of 60:1. Such an engine, if it could have been built, would have had an efficiency of 73%. (In contrast, the best steam engines of his day achieved 7%.) Accordingly, Diesel sought to compromise. He calculated that, were he to reduce the peak pressure to a less ambitious 90 atmospheres, he would sacrifice only 5% of the thermal efficiency. Seeking financial support, he published the "Theory and Construction of a Rational Heat Engine to Take the Place of the Steam Engine and All Presently Known Combustion Engines" (1893). Endorsed by scientific opinion, including Lord Kelvin, he won the backing of Krupp and italic=no. He clung to the Carnot cycle as a symbol. But years of practical work failed to achieve an isothermal combustion engine, nor could have done, since it requires such an enormous quantity of air that it cannot develop enough power to compress it. Furthermore, controlled fuel injection turned out to be no easy matter. Even so, the Diesel engine slowly evolved over 25 years to become a practical high compression air engine, its fuel injected near the end of the compression stroke and ignited by the heat of compression, capable by 1969 of 40% efficiency.