두 열 저장소 사이에서 작동하는 엔진은 동일한 저장소 사이에서 작동하는 Carnot 엔진보다 더 효율적일 수 없습니다.
우리가 기계를 사용할 때, 우리는 가능한 한 많은 것을 얻고 싶습니다. 따라서 제임스 와트 (James Watt)가 1759 년에 첫 번째 증기 엔진을 개발했을 때 증기의 80%가 낭비되었다는 사실에 실망한 것은 놀라운 일이 아닙니다! 그런 다음 레이스는 증기 엔진을 개선하고 효율성을 향상시키기 시작했습니다. 증기 엔진은 산업 혁명을“추진”하는 데 도움이되는 가장 중요한 혁신 중 하나 였으므로 효율성을 향상시키는 것은 그 당시 과학자들에게 필수적인 목표였습니다.
.1824 년, 프랑스 군사 엔지니어 인 Nicolas Léonard Sadi Carnot은 열 엔진의 열역학을 정의하는 데 상당히 획기적인 이론을 제안했습니다. 그는 가능한 효율성으로 Carnot 's Engine 또는 Carnot의 사이클이라고도 알려진 "완벽한"열 엔진을 시각화했습니다. 그 엔진에서, 열선은 실린더 피스톤 어셈블리를 통해 뜨거운 저수지에서 차가운 저수지로 이동하여 일부 열이 작동하도록 변환했습니다.
"완벽한"엔진 이었기 때문에 마찰에 열 낭비 나 엔진의 다른 부분의 온도를 변경하는 데 손실이 없었습니다. 그는 그러한 엔진이 100% 효율성을 달성 할 수 없으며 달성 할 수있는 효율의 상한이 항상있을 것이라고 제안했다. 그의 정리는 다음과 같이 언급했다. 두 열 저장소 사이에서 작동하는 엔진은 동일한 저수지 사이에서 작동하는 Carnot 엔진보다 더 효율적일 수 없습니다.
Carnot 's Cycle
자세히 이해하려면 Carnot의 사이클이 구성되는 방식을 살펴 보겠습니다. 열역학 및 엔트로피의 제 2 법칙에 대한 사전 이해는 아래에 언급 된 개념을 이해하기 위해 중요합니다.
Carnot의주기는 자발적으로 발생하는 가역적 프로세스라고 가정합니다. 이는 전체 프로세스가 완료된 후 시작 상태로 돌아갑니다. 가장 주목할만한 것은 외부 노력이나 에너지없이 자발적으로 발생합니다. 카르노 사이클은 4 가지 주요 단계로 나뉩니다 :
1 단계 :가역적 등온 가스 확장
첫 번째 단계에서, 실린더의 가스는 온도 Th에있는 뜨거운 저장소에서 열의 QH 량을 흡수합니다. 가스는 th에서 등온 적으로 팽창한다. 등온 과정은 과정 전체에 걸쳐 온도가 일정하게 유지되는 과정입니다. 이 단계에서, 가스의 온도는 Th에서 일정하게 유지된다. 가스는 수신하는 에너지로 인해 주변 환경에서 작동합니다.
2 단계 :가역 단열 가스 확장
단열 과정은 열적으로 절연되어 열을 잃지 않는 과정입니다. 두 번째 단계에서는 가스가 계속 확장되고 주변 환경에서 작동합니다. 실린더는 열이 손실되지 않으며 (열 절연대로) 가스가 팽창하여 (작동하기 위해) 가스의 온도는 TC로 떨어집니다.
3 단계 :가역적 등온 가스 압축
이 단계에서 실린더는 차가운 저수지로 열 (QC)을 잃습니다. 이 단계는 다시 등온이므로 일정한 온도 TC에서 발생한다는 것을 의미합니다. 열 손실로 인해 가스가 압축되어 피스톤을 아래로 밀어냅니다.
4 단계 :가역 단열 가스 압축
마지막 단계에서 실린더는 다시 환경에서 절연되어 열 교환이 없습니다. 환경은 피스톤에서 작동하며 피스톤은 가스를 압축하기 위해 다시 움직입니다. 가스는 다시 Th의 온도를 얻고 원래 상태를 유지합니다.
Carnot 사이클 효율
카르노 사이클의 효율을 계산하려면 저수지와 시스템이 수행 한 작업 사이의 열 흐름을 살펴 봐야합니다. 시스템의 엔트로피를 사용하여 계산할 수도 있습니다. 이 프로세스는 가역적이므로 시스템에 의해 엔트로피의 생성이 없습니다. 다시 말해, 시스템의 총 엔트로피가 보존됩니다. 열은 뜨거운 저수지에서 흘러 나와 차가운 저수지로 흘러 나옵니다. 따라서 엔트로피 ΔS는 뜨거운 저수지에서 가져와 냉장 저수지에 주어집니다.
이것은 뜨거운 저수지에서 가져온 열인 QH를 의미하며, 냉장 저수지 QC에 주어진 열은 TCΔS와 같습니다.
엔진에 의해 수행 된 작업 =QH - QC =(TH - TC) ΔS
모든 시스템의 효율성은 에너지 입력으로 나눈 작업으로 정의됩니다. 따라서 카르노 사이클의 효율은 다음과 같습니다.
효율 =(QH - QC) / QH =(TH - TC) ΔS / THΔS =(1 - TC / TH)
두 저수지의 온도 사이에 차이가 없다면 저수지 사이에는 열 흐름이 없을 수 있습니다. 이 방정식은 모든 엔진의 효율이 1 (또는 100%) 일 수 없음을 증명했습니다. 열 엔진의 이상적인 효율은 항상 열 저장소의 온도에 달려 있습니다.
Carnot 사이클 PV 다이어그램
Carnot 사이클은 PV (압력-볼륨) 플롯에 플롯 될 때 아래 그림과 같이 보입니다. 엔진이 수행 한 작업은 PV 플롯의 전체 경로로 경계를 이루는 영역으로 표시됩니다.
Carnot의 사이클 PV 다이어그램
Carnot Cycle Ts 다이어그램
Carnot 사이클은 TS (온도-엔트로피) 플롯에 플롯 될 때 아래와 같이 보입니다. 여기서 엔진이 수행 한 작업은 TS 플롯의 전체 경로로 경계를 이루는 영역으로 표시됩니다.
Carnot의 사이클 TS 다이어그램
