1. ábra: Egy hőforrás biztosítja a termodinamikai folyamat munkájának előállításához szükséges energiát. A Carnot-hatásfok csak a forró forrás és a hideg nyelő hőmérsékletétől függ.
A Carnot-hatásfok azt a maximális termikus hatásfokot írja le, amelyet egy hőmotor a termodinamika második törvénye által megengedett módon elérhet. A törvényt Sadi Carnot vezette le 1824-ben. Carnot elgondolkodott a maximális hatásfok gondolatán egy hőgépben, megkérdőjelezve, hogy vajon egy hőgép hatásfoka megközelítheti-e a 100%-ot, vagy van egy felső határ, amit nem lehet túllépni? A válaszból kiderült, hogy van egy maximális érték, és Carnot kifejlesztett egy ideális motort, amely elméletileg ezt a hatásfokot adja, és Carnot-motor néven ismert. A maximális hatásfok, az úgynevezett Carnot-hatásfok , csak a melegforrás és a hidegnyelő hőmérsékletétől és függ, amint azt az 1. ábra mutatja, és az alábbi egyenlet adja meg
(1)
A második törvény megköveteli, hogy egy olyan termodinamikai folyamatban, ahol a munkát egy hőforrás végzi, hulladékhő keletkezzen. Egy ilyen folyamatot a következő egyenlet
(2)
Melynek a termikus hatásfoka
(3)
Ahol:
- a tüzelőanyagból a rendszerbe juttatott hő
- a rendszer által a hulladékhőnek nevezett hidegnyelőbe leadott hő
- a rendszer által elért hasznos munka
A Carnot-hatásfok tehát megadja a bármely hőgépből elérhető maximálisan elérhető munkát. Az 1. egyenletből látható, hogy a hatásfok növelésével vagy csökkentésével növelhető. Ideális esetben tehát azt szeretnénk, ha a hidegnyelő hőmérséklete egyenlő lenne az abszolút nullával, de ez köztudottan lehetetlen. A valóságban a hidegnyelő a Föld környezete. Ez azt jelenti, hogy a hidegnyelő hőmérséklete körülbelül 280-300 Kelvin, a forró források pedig az égő tüzelőanyagokból származó, körülbelül 1100 Kelvin hőmérsékleten égnek (bár a kutatás mindig megpróbálja ezt a hőmérsékletet magasabbra hajtani). Ezek a hőmérsékletek körülbelül ilyen vagy olyan Carnot-hatásfokot adnak.
Carnot-motor
A Carnot-motor egy idealizált motor, amely reverzibilis mechanikai és termikus kölcsönhatásokkal rendelkező folyamatokat használ. Ez azt jelenti, hogy a motor az entrópia növekedése nélkül (energiaveszteség nélkül) képes végigmenni a mozgásokon és visszatérni a kiindulási állapotába. Ahhoz, hogy a motor az entrópia növekedése nélkül vissza tudjon térni a kiindulási állapotába, a motornak a ciklusa során végig termikus egyensúlyban kell lennie. Az ilyen motor feltételei a következők:
- Mechanikai kölcsönhatások: súrlódás formájában nem veszik el energia, ezért e mechanikai folyamatok során nem történik hőátadás (), ezt nevezzük adiabatikus folyamatnak.
- Termikus kölcsönhatások: a hőátadás végtelenül lassú (ezt nevezzük kvázistatikusnak). Ez azt jelenti, hogy a rendszer és a be- és kilépő hő közötti hőmérsékletkülönbség nagyon közel azonos, így a hőátadás végtelen idő alatt megy végbe. Ezeket a hőcseréket a rendszer belső hőmérsékletének állandóan tartásával kell végrehajtani, amit izotermikus folyamatnak nevezünk.
A csak ezekkel a tulajdonságokkal rendelkező motort Carnot-motornak nevezzük, amely “tökéletesen reverzibilis motor”, és a legnagyobb termikus hatásfokot () és – hűtőgépként működtetve – a legnagyobb teljesítmény-együtthatót () mutatja. Bár egy ilyen motor maximalizálná a hatásfokot, a hatékonyság szempontjából borzasztóan életszerűtlen, mivel idealizált folyamatai jelentős mennyiségű munka leadásához nagyon sok időre van szükség. Ahogy Schroeder fogalmaz: “ne fáradjon azzal, hogy Carnot-motort szereljen az autójába; bár növelné a fogyasztását, a gyalogosok megelőznék”.
A Carnot-motorról többet megtudhat a NASA vagy a hyperphysics oldalán.
