Ciclul și teorema lui Carnot • James Trefil, Enciclopedia "Două sute de legi ale universului"

Carotă și teoremă

Mașinile ideale în viața reală nu există, este doar o construcție mentală. Fiecare dintre aceste mașini ipotetice, printre care carnot motor ocupă un loc important, ilustrează o concluzie teoretică importantă. (Chiar și un blocaj de aer numit mișcare perpetuă servește, în esență, doar pentru a arăta că energia nu poate fi obținută din nimic). Motorul Carnot, care este baza muncii unui motor termic ideal, a fost inventat de un inginer francez Sadi Carnot cu douăzeci de ani în urmă, cum au fost formulate bazele termodinamicii, dar ilustrează o consecință importantă a celei de-a doua lege a termodinamicii.

Partea de lucru a motorului Carnot poate fi considerată ca un piston într-un cilindru plin cu gaz. Deoarece motorul Carnot este o mașină pur teoretică, adică ideală, forțele de frecare dintre piston și cilindru și pierderile de căldură sunt considerate a fi zero. Pistonul se poate mișca liber între două rezervoare de căldură – cu temperatură ridicată și temperatură scăzută. (Pentru confort, imaginați-vă că un rezervor de căldură fierbinte este încălzit prin arderea unui amestec de benzină cu aer,iar cea rece este răcită de apă sau de aer la temperatura camerei.) Următorul ciclu ideal de patru faze are loc în acest motor termic:

1. Mai întâi cilindrul intră în contact cu rezervorul fierbinte și gazul ideal se extinde la o temperatură constantă. În această fază, gazul primește o anumită cantitate de căldură din rezervorul fierbinte.
2. După aceea, cilindrul este înconjurat de o izolare termică perfectă, datorită căreia cantitatea de căldură disponibilă pentru gaz este menținută, iar gazul continuă să se extindă până când temperatura acestuia scade până la temperatura rezervorului de căldură rece.
3. În a treia fază, izolația termică este îndepărtată, iar gazul din cilindru, care este în contact cu rezervorul rece, este comprimat, dând o parte a căldurii la rezervorul rece.
4. Când compresiunea atinge un anumit punct, cilindrul este din nou înconjurat de izolație termică și gazul este comprimat prin ridicarea pistonului până când temperatura acestuia este egală cu temperatura rezervorului cald. După aceea, izolația este îndepărtată și ciclul se repetă din nou din prima fază.

Motorul Carnot are multe în comun cu motoarele reale: funcționează într-un ciclu închis (numit, respectiv, Carnot ciclu); primește energie din exterior datorită procesului de temperatură ridicată (de exemplu, atunci când ard combustibil); o parte din energie este disipată în mediul înconjurător. În acest caz, se efectuează o anumită lucrare (în cazul motorului Carnot, datorită mișcării translaționale a pistonului). Eficiența sau eficacitate Un motor Carnot este definit ca raportul dintre activitatea pe care o face și energia (sub formă de căldură) preluată dintr-un rezervor fierbinte. Este ușor să se demonstreze că eficiența (E) este exprimată prin formula:

E = 1 – (Tc/Th),

unde Tc și Th – respectiv, temperatura rezervoarelor reci și calde (în kelvin). Evident, eficiența motorului Carnot este mai mică de 1 (sau 100%).

Experiența lui Carnot este că el a arătat că nici un singur motor termic care funcționează la două temperaturi date nu poate fi mai eficient decât motorul Carnot ideal (această afirmație se numește Teorema lui Carnot). În caz contrar, ne confruntăm cu o încălcare a celei de-a doua lege a termodinamicii, deoarece un astfel de motor ar lua căldură dintr-un rezervor mai puțin încălzit și îl va transfera într-unul mai încălzit. (De fapt, a doua lege a termodinamicii este o consecință a teoremei Carnot.) Astfel, raportul Carnot obținut stabilește limita de eficiență motoarele reale care lucrează în lumea reală. Poți să te apropii de el, dar să atingi și, mai ales, să nu-l depășești pe inginerii săi nu poate. Astfel, motorul pur ipotetic Carnot joacă un rol important în lumea mașinilor reale, zgomotoase și parfumate, care este un alt exemplu al valorii aplicate a cercetării pur teoretice, la prima vedere.

Nicola Leonar Sadi Carnot
Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1796-1832

Fizician francez și inginer militar. Născut la Paris. Tatăl său, Lazare Nicola Marguerite Carnot (1753-1823), a fost un om de stat proeminent al epocii napoleoniene, dar fiind general și politician, a găsit timp să studieze matematica pură. Sadi Carnot a studiat la faimoasa Școală Politehnică și, după absolvirea din 1814, sa oferit voluntar pentru front, sub comanda lui Napoleon Bonaparte, unde a fost inginer militar până la căderea lui Napoleon în 1819. După aceea, Sadi Carnot a părăsit serviciul militar și sa angajat în studiul științei, economiei și artelor. El a fost, de asemenea, interesat de multe noi dezvoltări industriale și tehnologice ale timpului. Având în vedere fundamentarea teoretică a principiilor de funcționare a motoarelor cu aburi, Carnot a devenit unul dintre pionierii termodinamicii și a oferit modelul său celebru de motor ideal.Sadi Carnot și-a publicat ideile în 1824 sub forma tratatului fundamental "Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această putere" (Réflexions sur la puissance motrice du feu și les mașini propres à développer cette puissance). Revenind în 1832 la serviciul militar cu rang de căpitan, Sadi Carnot a murit brusc brusc la vârsta de doar 36 de ani de la holeră împotriva cărămizii.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: