카르노 기계는 열이 일을하는 데 사용되는 이상적인 순환 모델입니다. 이 시스템은 가스를 압축하는 실린더 내부에서 움직이는 피스톤으로 이해 될 수 있습니다. 실행되는주기는 열역학의 아버지이자 프랑스의 물리학 자이자 엔지니어 인 Nicolas Léonard Sadi Carnot이 선언 한 Carnot의주기입니다.
카르노는 19 세기 초에이주기를 발표했습니다. 기계는 온도와 일정한 압력과 같은 4 가지 상태의 변화를 겪으며, 가스를 압축하고 팽창 할 때 부피의 변화가 분명합니다.
니콜라스 레오나르 사디 카르노
방식
Carnot에 따르면 이상적인 기계를 온도와 압력의 변화에 적용하면 얻은 성능을 극대화 할 수 있습니다.
카르노 사이클은 등온 팽창, 단열 팽창, 등온 압축 및 단열 압축의 네 단계 각각에서 개별적으로 분석되어야합니다.
Carnot 기계에서 수행되는 사이클의 각 단계와 관련된 공식은 아래에 자세히 설명되어 있습니다.
등온 팽창 (A → B)
이 단계의 전제는 다음과 같습니다.
-가스 부피 : 최소 부피에서 중간 부피로 이동합니다.
-기계 온도 : 일정한 온도 T1, 높은 값 (T1> T2).
-기계 압력 : P1에서 P2로 떨어집니다.
등온 과정은 온도 T1이이 단계에서 변하지 않음을 의미합니다. 열의 전달은 가스의 팽창을 유도하여 피스톤의 움직임을 유도하고 기계적 작업을 생성합니다.
가스가 팽창함에 따라 냉각되는 경향이 있습니다. 그러나 온도 원에서 방출되는 열을 흡수하고 팽창하는 동안 일정한 온도를 유지합니다.
이 과정에서 온도가 일정하게 유지되기 때문에 가스의 내부 에너지는 변하지 않으며 가스에 흡수 된 모든 열이 효과적으로 일로 변환됩니다. 그래서:
그 부분에서, 사이클의이 단계가 끝날 때 이상 기체 방정식을 사용하여 압력 값을 얻을 수도 있습니다. 따라서 다음이 있습니다.
이 표현에서 :
P 2 : 단계 종료시 압력.
V b : 지점 b에서의 볼륨.
n : 가스의 몰수.
A : 이상 기체의 보편적 인 상수. R = 0.082 (atm * 리터) / (몰 * K).
T1 : 절대 초기 온도, 켈빈.
단열 팽창 (B → C)
이 공정 단계에서는 열을 교환 할 필요없이 가스 팽창이 발생합니다. 따라서 건물은 아래에 자세히 설명되어 있습니다.
-가스 부피 : 평균 부피에서 최대 부피로 이동합니다.
-기계 온도 : T1에서 T2로 떨어집니다.
-기계 압력 : 일정한 압력 P2.
단열 과정은 압력 P2가이 단계에서 변하지 않음을 의미합니다. 온도는 감소하고 가스는 최대 부피에 도달 할 때까지 계속 팽창합니다. 즉, 피스톤이 정지 점에 도달합니다.
이 경우 수행되는 작업은 가스의 내부 에너지에서 비롯되며이 과정에서 에너지가 감소하기 때문에 그 값은 음수입니다.
이상 기체라고 가정하면, 이론은 기체 분자가 운동 에너지 만 가지고 있다고 주장합니다. 열역학의 원리에 따르면 다음 공식으로 추론 할 수 있습니다.
이 공식에서 :
∆U b → c : 지점 b와 c 사이에서 이상 기체의 내부 에너지 변화.
n : 가스의 몰수.
Cv : 가스의 몰 열용량.
T1 : 절대 초기 온도, 켈빈.
T2 : 절대 최종 온도, 켈빈도.
등온 압축 (C → D)
이 단계에서 가스 압축이 시작됩니다. 즉, 피스톤이 실린더로 이동하여 가스가 부피를 축소합니다.
프로세스의이 단계에 내재 된 조건은 다음과 같습니다.
-가스 부피 : 최대 부피에서 중간 부피로 이동합니다.
-기계 온도 : 일정한 온도 T2, 감소 된 값 (T2 <T1).
-기계 압력 : P2에서 P1로 증가합니다.
여기서 가스에 대한 압력이 증가하여 압축되기 시작합니다. 그러나 온도는 일정하게 유지되므로 가스의 내부 에너지 변동은 0입니다.
등온 팽창과 유사하게 수행되는 작업은 시스템의 열과 같습니다. 그래서:
이상 기체 방정식을 사용하여이 지점에서 압력을 찾는 것도 가능합니다.
단열 압축 (D → A)
시스템이 초기 상태로 돌아가는 프로세스의 마지막 단계입니다. 이를 위해 다음 조건이 고려됩니다.
-가스의 부피 : 중간 부피에서 최소 부피로 이동합니다.
-기계 온도 : T2에서 T1로 증가합니다.
-기계 압력 : 일정한 압력 P1.
이전 단계에서 시스템에 통합 된 열원이 제거되어 압력이 일정하게 유지되는 한 이상 기체가 온도를 올립니다.
가스는 온도 (T1)의 초기 조건과 부피 (최소)로 돌아갑니다. 다시 한 번, 수행 된 작업은 가스의 내부 에너지에서 발생하므로 다음을 수행해야합니다.
단열 팽창의 경우와 유사하게 다음 수학 식을 사용하여 가스 에너지의 변화를 구하는 것이 가능합니다.
Carnot 기계는 어떻게 작동합니까?
Carnot의 엔진은 이상 기체의 팽창 및 압축 단계를 번갈아 가며 등온 및 단열 과정을 변경하여 성능을 극대화하는 엔진으로 작동합니다.
이 메커니즘은 두 개의 온도 소스가 존재하는 경우 열 변화를받는 작업을 수행하는 이상적인 장치로 이해 될 수 있습니다.
첫 번째 초점에서 시스템은 온도 T1에 노출됩니다. 시스템에 스트레스를 가하고 가스를 팽창시키는 고온입니다.
결과적으로 이것은 실린더에서 피스톤을 움직일 수 있고 단열 팽창을 통해서만 정지 할 수있는 기계적 작업의 실행으로 해석됩니다.
그런 다음 두 번째 초점으로 시스템이 T1보다 낮은 온도 T2에 노출됩니다. 즉, 메커니즘이 냉각됩니다.
이것은 단열 압축 후 초기 부피에 도달하는 열의 추출과 가스의 분쇄를 유도합니다.
응용
Carnot 기계는 열역학의 가장 중요한 측면을 이해하는 데 기여한 덕분에 널리 사용되었습니다.
이 모델을 사용하면 온도와 압력의 변화에 따른 이상 기체의 변화를 명확하게 이해할 수 있으므로 실제 엔진을 설계 할 때 참조 방법이됩니다.
참고 문헌
- Carnot Heat Engine Cycle 및 2nd Law (sf). 출처 : nptel.ac.in
- Castellano, G. (2018). 카르노 기계. 출처 : famaf.unc.edu.ar
- 카르노 사이클 (sf) .Ecured. 쿠바 하바나. 출처 : ecured.cu
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- 파울러, M. (nd). 열 엔진 : 카르노 사이클. 출처 : galileo.phys.virginia.edu
- Wikipedia, The Free Encyclopedia (2016). 카르노 기계. 출처 : es.wikipedia.org