Rysunek 1: Gorące źródło dostarcza energii potrzebnej do wytworzenia pracy w procesie termodynamicznym. Sprawność Carnota zależy tylko od temperatury gorącego źródła i zimnego radiatora.
Sprawność Carnota opisuje maksymalną sprawność cieplną, jaką może osiągnąć silnik cieplny zgodnie z drugim prawem termodynamiki. Prawo to zostało opracowane przez Sadiego Carnota w 1824 roku. Carnot zastanawiał się nad ideą maksymalnej sprawności silnika cieplnego, zadając sobie pytanie, czy sprawność silnika cieplnego może zbliżyć się do 100%, czy też istnieje górna granica, której nie można przekroczyć? Odpowiedź okazała się być taka, że istnieje wartość maksymalna, a Carnot opracował idealny silnik, który teoretycznie dawałby taką sprawność, znany jako silnik Carnota. Maksymalna sprawność, zwana sprawnością Carnota, zależy tylko od temperatur gorącego źródła i zimnego zlewu oraz , jak pokazano na rysunku 1, i jest dana poniższym równaniem
(1)
Drugie prawo wymaga, aby ciepło odpadowe było wytwarzane w procesie termodynamicznym, w którym praca jest wykonywana przez źródło ciepła. Proces taki jest dany równaniem
(2)
o sprawności cieplnej
(3)
Gdzie:
- to ciepło dostarczone do układu z paliwa
- to ciepło oddane przez układ do zimnego radiatora znane jako ciepło odpadowe
- to praca użyteczna uzyskana przez układ
Więc sprawność Carnota podaje maksymalną osiągalną ilość pracy z dowolnego silnika cieplnego. Z równania 1 wynika, że podnosząc lub obniżając sprawność można ją zwiększyć. Idealnie byłoby zatem, gdyby temperatura zimnego radiatora była równa zeru absolutnemu, ale wiadomo, że jest to niemożliwe. W rzeczywistości, zimnym pochłaniaczem jest środowisko Ziemi. Oznacza to, że zimny pochłaniacz ma temperaturę około 280-300 Kelwinów, a gorące źródła pochodzą ze spalania paliw o temperaturze około 1100 Kelwinów (choć badania zawsze starają się podnieść tę temperaturę). Te temperatury dają wartość sprawności Carnota równą lub wyższą.
Silnik Carnota
Silnik Carnota jest silnikiem wyidealizowanym, wykorzystującym procesy, które mają odwracalne oddziaływania mechaniczne i termiczne. Oznacza to, że silnik może przejść przez swoje ruchy i powrócić do stanu początkowego bez wzrostu entropii (bez utraty energii). Aby silnik mógł powrócić do stanu początkowego bez zwiększania entropii, musi on pozostawać w równowadze termicznej podczas całego cyklu pracy. Warunkami istnienia takiego silnika są:
- Oddziaływania mechaniczne: żadna energia nie jest tracona w postaci tarcia, dlatego nie ma wymiany ciepła podczas tych procesów mechanicznych (), zwanych procesem adiabatycznym.
- Oddziaływania termiczne: wymiana ciepła jest nieskończenie wolna (zwana quasi-statyczną). Oznacza to, że różnica temperatur pomiędzy układem a ciepłem wejściowym/wyjściowym jest bardzo prawie taka sama, co powoduje, że wymiana ciepła odbywa się w nieskończenie długim czasie. Wymiana ta musi odbywać się poprzez utrzymywanie stałej temperatury wewnętrznej układu, znanej jako proces izotermiczny.
Silnik, który posiada tylko te właściwości znany jest jako silnik Carnota, który jest „silnikiem doskonale odwracalnym” i wykazuje maksymalną sprawność cieplną () oraz, jeśli działa jako chłodziarka, współczynnik wydajności (). Chociaż taki silnik maksymalizowałby sprawność, to z punktu widzenia efektywności jest on strasznie niepraktyczny, ponieważ jego wyidealizowane procesy wymagają tak dużo czasu, aby wytworzyć znaczącą ilość pracy. Jak ujął to Schroeder, „nie zawracaj sobie głowy instalowaniem silnika Carnota w samochodzie; choć zwiększyłby on przebieg na gazie, zostałbyś minięty przez pieszych”.
Aby dowiedzieć się więcej o silniku Carnota, odwiedź NASA lub hyperphysics.
.
