Obrázek 1: Horký zdroj poskytuje energii potřebnou k výrobě práce v termodynamickém procesu. Carnotova účinnost závisí pouze na teplotě horkého zdroje a chladného chladiče.
Carnotova účinnost popisuje maximální tepelnou účinnost, které může tepelný motor dosáhnout, jak to umožňuje druhý termodynamický zákon. Zákon odvodil Sadi Carnot v roce 1824. Carnot se zamýšlel nad myšlenkou maximální účinnosti tepelného motoru a kladl si otázku, zda se účinnost tepelného motoru může blížit 100 %, nebo zda existuje horní hranice, kterou nelze překročit? Ukázalo se, že odpověď zní, že maximální hodnota existuje, a Carnot vyvinul ideální motor, který by teoreticky poskytoval tuto účinnost, známý jako Carnotův motor. Maximální účinnost, známá jako Carnotova účinnost , závisí pouze na teplotách horkého zdroje a studeného chladiče a , jak je znázorněno na obrázku 1, a je dána následující rovnicí
(1)
Druhý zákon vyžaduje, aby při termodynamickém procesu, při kterém se vykonává práce zdrojem tepla, vznikalo odpadní teplo. Takový proces je dán rovnicí
(2)
S tepelnou účinností
(3)
Kde:
- je teplo dodané do soustavy z paliva
- je teplo odevzdané soustavou chladnému chladiči známému jako odpadní teplo
- je užitečná práce dosažená soustavou
Takže Carnotova účinnost udává maximální dosažitelné množství práce z jakéhokoliv tepelného motoru. Z rovnice 1 je patrné, že zvýšením nebo snížením účinnosti lze účinnost zvýšit. Ideální by tedy bylo, kdyby se teplota studeného chladiče rovnala absolutní nule, ale to je, jak známo, nemožné. Ve skutečnosti je chladným propadem prostředí Země. To znamená, že chladný propad má teplotu přibližně 280-300 Kelvinů a horké zdroje ze spalování paliv hoří při teplotě přibližně 1100 Kelvinů (i když výzkum se vždy snaží tuto teplotu zvýšit). Při těchto teplotách je hodnota Carnotovy účinnosti přibližně taková.
Carnotův motor
Carnotův motor je idealizovaný motor, který využívá procesy s vratnými mechanickými a tepelnými interakcemi. To znamená, že motor může projít svými pohyby a vrátit se do výchozího stavu bez zvýšení entropie (bez ztráty energie). Aby se motor mohl vrátit do výchozího stavu bez zvýšení entropie, musí být po celou dobu svého cyklu v tepelné rovnováze. Podmínky pro existenci takového motoru jsou:
- Mechanické interakce: nedochází ke ztrátám energie ve formě tření, proto při těchto mechanických procesech nedochází k přenosu tepla (), tzv. adiabatický proces.
- Tepelné interakce: přenos tepla je nekonečně pomalý (tzv. kvazistatický). To znamená, že rozdíl teplot mezi soustavou a vstupním/výstupním teplem je téměř stejný, což způsobuje, že přenos tepla probíhá po nekonečně dlouhou dobu. Tyto výměny musí probíhat při zachování konstantní vnitřní teploty soustavy, což je známé jako izotermický proces.
Motor, který má pouze tyto vlastnosti, je známý jako Carnotův motor, který je „dokonale reverzibilním motorem“ a vykazuje maximální tepelnou účinnost (), a pokud je provozován jako chladnička, i koeficient výkonu (). Ačkoli by takový motor maximalizoval účinnost, z hlediska efektivity je strašně nepraktický, protože jeho idealizované procesy potřebují tolik času, aby vyprodukovaly významné množství práce. Jak říká Schroeder, „neobtěžujte se instalovat Carnotův motor do svého auta; sice by vám zvýšil spotřebu, ale předjížděli by vás chodci“.
Chcete-li se o Carnotově motoru dozvědět více, navštivte NASA nebo hyperfyziku.
.
