چرخه کارنو

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

در ترمودینامیک، چرخهٔ کارنو (به انگلیسی: Carnot cycle) یک چرخهٔ ترمودینامیکی بازگشت پذیر است که توسط سعدی کارنو در ۱۸۲۴ معرفی شد. چرخهٔ کارنو چرخه‌ای است که بیشترین کارایی را دارد.

سعدی کارنو در سال ۱۸۲۴ در مقاله‌ای با عنوان «اندیشه‌هایی درباره قدرت محرکه گرما» بیان کرد که:

بازده تمام ماشین‌های بازگشت پذیری که بین دماهای یکسانی کار می‌کنند با هم برابر است و بازده هیچ ماشین بازگشت ناپذیری، که بین همان دو دما کار می‌کند، نمی‌تواند بیشتر از این باشد.

چرخه[ویرایش]

این سامانه شامل ماده‌ای است که انتقال گرما را به عهده دارد (ماده کاری) و از چهار فرآیند بازگشت پذیر تشکیل شده، شامل دو فرایند هم دما و دو فرایند بی‌دررو است:

یک چرخهٔ کارنو، عمل‌کننده به عنوان یک موتور حرارتی، نشان‌داده شده بر روی نمودار دما-انتروپی. چرخه بین یک منبع حرارتی داغ در دمای TH و یک منبع حرارتی سرد در دمای TL رخ می‌دهد.
  • فرایند هم‌دما: گاز در مسیر AB در دمای ثابت TH گرمای QH را از چشمه گرم می‌گیرد و به طور هم دما منبسط می‌شود.
  • فرایند بی‌دررو: در مسیر BC ماده کاری به طور بی‌دررو سرد می‌شود و به دمای TC می‌رسد.
  • فرایند هم‌دما:در مسیر CD، گاز کامل به طور هم‌دما در دمای ثابت TC و با دادن گرمای QC به چشمه سرد متراکم می‌شود.
  • فرایند بی‌دررو:در مسیر DA نیز ماده کاری به طور بی‌دررو متراکم می‌شود و دمایش به TH می‌رسد.
یک چرخهٔ کارنو، عمل‌کننده به عنوان یک موتور حرارتی، نشان‌داده شده بر روی نمودار فشار-حجم برای نشان دادن کار انجام‌شده.

کارایی[ویرایش]

کارایی در ماشین‌های گرمای از رابطه زیر به دست می‌آید:

\eta=\frac{W}{Q_H}

که در آن W کاری است که سیستم انجام می‌دهد و QH گرمای داده شده به سیستم است.

در چرخه کارنو کاری که سیستم انجام می‌دهد از:

: W = \oint PdV = (T_H-T_C)(S_B-S_A)

و گرمای داده شده به سیستم از

: Q_H=T_H(S_B-S_A)\,

بدست می‌آید. و از این دو کارایی چرخه \eta بدست می‌آید:

\eta=\frac{W}{Q_H}=1-\frac{T_C}{T_H}

که در آن TH دمای چشمه گرم و TC دمای چشمه سرد است.

یعنی برای دست یابی به حداکثر بازده ممکن، دمای TC باید صفر مطلق باشد. به عبارت دیگر تنها هنگامی که منبع سرد در صفر مطلق قرار گیرد، تمامی گرمای جذب شده از منبع گرم به کار تبدیل خواهد شد.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

Carnot، Sadi (1824). Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance. Paris:*Bachelier. (French)

Carnot، Sadi; Thurston، Robert Henry (editor and translator) (1890). Reflections on the Motive Power of Heat and on Machines Fitted to*Develop That Power. New York: J. Wiley & Sons. (full text of 1897 ed.)) (html)

Feynman، Richard P.; Leighton، Robert B.; Sands، Matthew (1963). The Feynman Lectures on Physics. Addison-Wesley Publishing Company. pp.&*44–4f. ISBN 0-201-02116-1.

Halliday، David; Resnick، Robert (1978). Physics (3rd ed. ed.). John Wiley & Sons. pp. 541–548. ISBN 0-471-02456-2*.

Kittel، Charles; Kroemer، Herbert (1980). Thermal Physics (2nd ed. ed.). W. H. Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9*.