دورة كارنو

عندما نتحدث في الفيزياء والديناميكا الحرارية من دورة كارنو نحن نشير إلى سلسلة من العمليات التي تجري في محرك كارنو. إنه جهاز مثالي يتكون فقط من عدد قليل من العمليات القابلة للعكس. وهذا يعني أنه بمجرد حدوث هذه العمليات، يمكن العودة إلى الحالة الأولية. يعتبر هذا النوع من المحركات في الفيزياء محركًا مثاليًا ويستخدم في تخطيط بقية المحركات، فيما يتعلق بـ مبادئ الديناميكا الحرارية.

في هذه المقالة سوف نخبرك بكل ما تحتاج لمعرفته حول دورة كارنو وخصائصها الرئيسية.

الملامح الرئيسية

نحن نتحدث أن هذا النوع من المحركات يعتبر محركًا مثاليًا. هذا لأنه يفتقر إلى تبديد الطاقة ، بسبب الاحتكاك بالأرض أو الهواء ولا يوجد نوع من اللزوجة. كل هذه الخصائص أو العيوب تنشأ في أي محرك حقيقي منذ ذلك الحين من المستحيل تحويل الطاقة الحرارية إلى أعمال قابلة للاستخدام بنسبة 100٪. ومع ذلك ، يمكن لكومة Carnot محاكاة كل هذه الظروف لتكون قادرة على العمل بشكل أفضل وإجراء الحسابات بطريقة أبسط.

عندما نشتري محركًا نبدأ من مادة قادرة على أداء العمل. على سبيل المثال، المواد الرئيسية المستخدمة هي الغاز أو البنزين أو البخار. عندما تتعرض هذه المواد القادرة على أداء العمل لتغيرات مختلفة في كل من درجة الحرارة والضغط، تولد بعض الاختلافات في حجمها. بهذه الطريقة، يمكن تحريك المكبس داخل الأسطوانة للحصول على المحرك. مبادئ الديناميكا الحرارية تلعب دورًا حاسمًا في هذه العمليات.

ما هي دورة كارنو؟

تحدث هذه الدورة ضمن نظام يسمى محرك كارنو. يوجد في هذا المحرك غاز مثالي محاط بأسطوانة ومزود بمكبس. المكبس على اتصال بمصادر مختلفة في درجات حرارة مختلفة. يوجد في هذا النظام بعض العمليات التي يمكننا رؤيتها في الخطوات التالية:

• يتم توفير قدر معين من الحرارة للجهاز. هذه الكمية من الحرارة تأتي من الخزان الحراري ذو درجة الحرارة العالية.
• يعمل المحرك بفضل هذه الحرارة التي سيتم توفيرها
• يتم استخدام بعض الحرارة ويضيع البعض الآخر. يتم نقل النفايات إلى منشأة التخزين الحراري، والتي تكون بدرجة حرارة أقل.

بمجرد أن نرى جميع العمليات ، سنرى ما هي مراحل دورة كارنو. يتم إجراء تحليل هذه العمليات باستخدام مخطط يقاس فيه الضغط والحجم. يمكن أن يكون الغرض من المحرك إما إبقاء الخزان رقم XNUMX باردًا عن طريق استخلاص الحرارة منه. في هذه الحالة سوف نتحدث عن آلة التبريد. على العكس من ذلك ، إذا كان الهدف هو نقل الحرارة إلى الخزان الحراري رقم واحد ، فإننا نتحدث عن مضخة حرارية.

إذا قمنا بتحليل مخطط الضغط والحجم ، فإننا نرى أن التغييرات في ضغط ودرجة حرارة المحرك تظهر في ظل ظروف معينة هي التالية:

• طالما بقيت درجة الحرارة ثابتة. نحن هنا نتحدث عن عملية متساوية الحرارة.
• لا يوجد انتقال للحرارة. هذا هو المكان الذي لدينا فيه العزل الحراري.

تحتاج العمليات الحرارية المتساوية إلى أن تكون متصلة ببعضها البعض ويتم تحقيق ذلك بفضل العزل الحراري، وهو مفهوم مرتبط بـ الكون.

مراحل دورة كارنو

في نقطة البداية يمكننا أن نبدأ بأي جزء من الدورة حيث يتمتع الغاز بظروف معينة من الضغط والحجم ودرجة الحرارة. سيخضع هذا الغاز لسلسلة من العمليات التي ستسمح له بالعودة إلى حالته الأصلية. وبمجرد عودة الغاز إلى حالته الأولية، أصبح في حالة مثالية لبدء دورة أخرى. تتحقق هذه الشروط طالما أن الطاقة الداخلية في النهاية هي نفس الطاقة الداخلية في البداية. وهذا يعني أن الطاقة محفوظة. نحن نعلم بالفعل أن الطاقة لا تُستحدث ولا تُدمر، بل تتحول فقط.

تعتمد المرحلة الأولى من دورة كارنو على تمدد متساوي الحرارة. في هذه المرحلة ، يمتص النظام الحرارة من الخزان الحراري 1 ويخضع لتمدد متساوي الحرارة. ومن ثم ، يزداد حجم الغاز ويقل الضغط. ومع ذلك ، تظل درجة الحرارة مستقرة لأنه عندما يتمدد الغاز يبرد. لذلك ، نعلم أن طاقتها الداخلية تظل ثابتة بمرور الوقت.

في المرحلة الثانية لدينا ملف توسع ثابت الحرارة. Adiabatic يعني أن النظام لا يكتسب أو يفقد الحرارة. يتم تحقيق ذلك عن طريق وضع الغاز في العزل الحراري كما هو موضح أعلاه. لذلك ، في تمدد ثابت الحرارة ، يزداد الحجم وينخفض ​​الضغط حتى يصل إلى أدنى قيمته.

في المرحلة الثالثة لدينا ضغط متساوي الحرارة. نقوم هنا بإزالة العزل ويتلامس النظام مع الخزان الحراري رقم 2 ، والذي سيكون عند درجة حرارة منخفضة. لهذا السبب ، فإن النظام مسؤول عن نقل الحرارة المفقودة التي لم يتم استخدامها إلى هذا الخزان الحراري. عندما تنبعث الحرارة ، يبدأ الضغط في الزيادة ويقل الحجم.

أخيرًا ، في المرحلة الأخيرة من دورة Carnot ، لدينا ملفضغط ثابت الحرارة. هنا نعود إلى مرحلة العزل الحراري بواسطة النظام. يزيد الضغط من حجم النقصان حتى يصل إلى الظروف الأولية مرة أخرى. لذلك ، الدورة جاهزة للبدء من جديد.

القيود

كما ذكرنا سابقًا، فإن محرك كارنو مثالي. وهذا يعني أن لها حدودها منذ لا تتمتع المحركات الحقيقية بكفاءة 100٪. نحن نعلم أن محركي كارنو لهما نفس الكفاءة إذا كان كلاهما يعملان بنفس الخزانات الحرارية. تعني هذه العبارة أن المادة التي نستخدمها مهمة، لأن الأداء سيكون مستقلاً تمامًا ولا يمكن زيادته.

الاستنتاج الذي استخلصناه من التحليل السابق هو أن دورة كارنو هي الجزء العلوي من العملية الديناميكية الحرارية التي يمكن الوصول إليها بشكل مثالي. أي ، بعد ذلك ، لن يكون هناك محرك ذو كفاءة أكبر. نحن نعلم أن العزل الحراري ليس مثاليًا على الإطلاق ولا توجد مراحل ثابتة الحرارة ، حيث يوجد تبادل حراري مع الخارج.

في حالة السيارة، ترتفع درجة حرارة كتلة المحرك ولا يتصرف خليط البنزين والهواء تمامًا مثل الغاز المثالي. ناهيك عن بعض العوامل التي تسبب انخفاضًا حادًا في الأداء.

آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد عن دورة كارنو وخصائصها.