Obrátený Carnotov Cyklus: Princíp, Využitie a Výhody

Carnotov cyklus, presnejšie vratný Carnotov cyklus[1], Carnotov obeh (vratný Carnotov obeh) alebo Carnotov proces (vratný Carnotov proces) je ideálny tepelný obeh pozostávajúci z vratných zmien (dvoch adiabát a dvoch izoteriem), ktorý prebieha medzi dvoma zásobníkmi tepla rôznej teploty rovnako ako priamy Carnotov cyklus.

Obrátený Carnotov cyklus však prebieha v p-V diagrame proti smeru hodinových ručičiek. Spotrebúva mechanickú prácu a prenáša teplo zo zásobníka s nižšou teplotou do zásobníka s vyššou teplotou. Obrátený Carnotov cyklus opisuje prácu ideálneho tepelného čerpadla tzv.

Carnotov cyklus opisuje prácu ideálneho tepelného stroja a vyvodzuje jeho maximálnu teoretickú účinnosť.

Jednotlivé fázy Carnotovho cyklu je možné podľa potreby znázorniť v rôznych diagramoch. p-V diagram vyjadruje závislosť tlaku od objemu, T-S diagram vyjadruje závislosť teploty od entropie. V oboch typoch diagramov krivky jednotlivých zmien ohraničujú oblasť ktorej obsah zodpovedá práci vykonanej strojom.

Cyklus prebieha proti smeru hodinových ručičiek (pozri obrázok). Energetická bilancia je rovnaká ako pri Carnotovom cykle, s rozdielom výmeny znamienok pre privedené/odvedené teplo a spotrebovanú/dodanú prácu. Namiesto účinnosti sa pre hodnotenie používajú dva parametre, v závislosti od účelu tepelného stroja.

Chladiaci faktor a vykurovací faktor obráteného Carnotovho cyklu sú maximálne dosiahnuteľné koeficienty výkonnosti pre akýkoľvek tepelný stroj pracujúci medzi zásobníkmi tepla s uvedenými teplotami.

Carnotov cyklus označuje vratný kruhový termodynamický dej ideálneho tepelného stroje, ktorý sa skladá zo dvoch izotermických a dvoch adiabatických dejov. Carnotovův cyklus se skládá ze čtyř fází. Dále budeme jako pracovní médium uvažovat ideální plyn, jehož vnitřní energie závisí pouze na teplotě.

Princíp fungovania obráteného Carnotovho cyklu:

• Izotermická expanzia: Pracovná látka (napr. chladivo) prijíma teplo z chladnejšieho zdroja pri konštantnej teplote a expanduje.
• Adiabatická kompresia: Pracovná látka sa komprimuje bez výmeny tepla s okolím, čo vedie k zvýšeniu jej teploty.
• Izotermická kompresia: Pracovná látka odovzdáva teplo teplejšiemu zdroju pri konštantnej teplote a komprimuje sa.
• Adiabatická expanzia: Pracovná látka sa expanduje bez výmeny tepla s okolím, čo vedie k zníženiu jej teploty.

Tento cyklus umožňuje prenos tepla z chladnejšieho zdroja na teplejší, čo je v rozpore s druhým termodynamickým zákonom. Na dosiahnutie tohto prenosu je však potrebné dodať prácu, napríklad prostredníctvom kompresora.

Využitie obráteného Carnotovho cyklu:

• Tepelné čerpadlá: Tepelné čerpadlá využívajú obrátený Carnotov cyklus na prenos tepla z vonkajšieho prostredia (vzduch, voda, zem) do vykurovaného priestoru.
• Chladničky: Chladničky využívajú obrátený Carnotov cyklus na prenos tepla z vnútorného priestoru chladničky do vonkajšieho prostredia.

Pre lepšie pochopenie princípu fungovania obráteného Carnotovho cyklu, je možné si pozrieť nasledujúcu tabuľku, ktorá sumarizuje jednotlivé fázy cyklu:

Výhody obráteného Carnotovho cyklu:

• Vysoká účinnosť: V ideálnom prípade dosahuje obrátený Carnotov cyklus maximálnu možnú účinnosť pre dané teploty zdrojov tepla.
• Ekologickosť: Tepelné čerpadlá využívajúce obrátený Carnotov cyklus môžu znížiť emisie skleníkových plynov v porovnaní s tradičnými vykurovacími systémami.

Nevýhody obráteného Carnotovho cyklu:

• Vysoké náklady: Tepelné čerpadlá a chladničky využívajúce obrátený Carnotov cyklus môžu byť drahšie v porovnaní s tradičnými technológiami.
• Závislosť na teplote: Účinnosť obráteného Carnotovho cyklu klesá s rastúcim rozdielom teplôt medzi zdrojmi tepla.

Zaujímavosti:

• Carnotov cyklus je pomenovaný po francúzskom fyzikovi Sadi Carnotovi, ktorý ho prvýkrát opísal v roku 1824.
• Reálne zariadenia, ako tepelné čerpadlá a chladničky, sa snažia priblížiť k ideálnemu obrátenému Carnotovmu cyklu, ale nikdy ho nedosiahnu kvôli rôznym stratám a nedokonalostiam.

Obrátený Carnotov cyklus je základom pre fungovanie moderných tepelných čerpadiel a chladničiek.

1. Izotermická expanze z počátečního stavu plynu, který je dán tlakem , objemem a teplotou se plyn izotermicky rozpíná. Při tomto rozpínání plyn vykoná na úkor dodaného tepla práci . Teplo je dodáno z okolí (tzv. ohřívač). 2. Adiabatická expanze navazuje na izotermickou expanzi. Počáteční stav adiabatické expanze je dán stavovými veličinami , a , které jsou konečným stavem izotermické expanze. Při adiabatickém rozpínání nedochází k výměně tepla s okolím. Práce , kterou plyn vykoná v této fázi cyklu jde na úkor vnitřní energie, tzn. 3. Izotermická komprese navazuje na adiabatickou expanzi. Počáteční stav izotermické komprese je dán stavovými veličinami , a , které jsou konečným stavem adiabatické expanze. Při izotermickém stlačování vykonáváme na plynu práci, která se odevzdává okolí ve formě tepla. Dodaná práce je rovna uvolněnému teplu, tzn. 4. Adiabatická komprese navazuje na izotermickou kompresi. Počáteční stav adiabatické komprese je dán stavovými veličinami , a , které jsou konečným stavem izotermické komprese. Při adiabatické kompresi stlačujeme plyn, který je dokonale tepelně izolován. Nedochází tedy k výměně tepla s okolím. Práce , kterou dodáme plynu, je spotřebována na zvýšení vnitřní energie plynu, tzn. Celková práce , kterou soustava během cyklu vykonala, je . Práce vykonaná soustavou při libovolném cyklu je dle prvního termodynamického zákona rovna rozdílu tepla přijatého a tepla odevzdaného. Pokud cyklus probíhá v popsaném pořadí, pak koná soustava práci a představuje ideální tepelný motor, v němž je část tepla dodaného ohřívačem přeměněna na mechanickou práci a část se vždy odevzdá chladiči.

Účinnost stroje je poměr výkonu a příkonu neboli poměr vykonané práce a energie dodané během jednoho cyklu.

kde je celková práce, kterou soustava během cyklu vykoná, je teplo dodané soustavě a je teplo odevzdané.

kde je termodynamická teplota ohřívače a chladiče. Účinnost vratného Carnotova cyklu tak závisí pouze na poměru termodynamických teplot, mezi nimiž tepelný stroj pracuje.

Carnotův tepelný stroj je teoretický stroj založený na Carnotově cyklu. Jde o idealizaci, kde jednotlivé děje probíhají vratně (tj. celková entropie daná součtem entropií pracujícího systému a okolí zůstává konstantní). Výměna tepla s okolím v izotermických částech cyklu proto musí probíhat v tepelné rovnováze systému s okolím (v opačném případě dochází k tepelnému toku nadarmo, což je nevratný proces). Děj tedy musí probíhat nekonečně pomalu a stroj má nulový výkon.

Realističtějším popisem přenosu tepla se zabývá endoreverzibilní termodynamika, která je založena na předpokladu, že k veškeré produkci entropie dochází na hranici systému. Dle Newtonova ochlazovacího zákona je tepelný tok úměrný rozdílu teplot mezi systémem a rozhraním . Uvažme stroj, ve kterém přenos tepla zabere konečný čas a zbylé operace probíhají okamžitě.

Tepelné elektrárny, jako nejdokonalejší tepelné stroje v praxi pracují podle Rankino-Clausiova cyklu. Účinnost zvyšují pomocí zužitkování odpadního tepla (výroba elektřiny, tepla nebo chladu),[2] čímž se přibližují až k teoretickému maximu danému Carnotovým cyklem. Se stejným cyklem pracují také jaderné elektrárny.

Lze dokázat, že účinnost libovolného nevratného cyklu je vždy menší než účinnost vratného cyklu. To je možné provést pomocí systému dvou tepelných strojů, vratného a nevratného. Kdyby totiž účinnost nevratného tepelného stroje byla větší než účinnost vratného tepelného stroje, bylo by možné sestrojit perpetuum mobile druhého druhu (použitím části práce ke zpětnému odčerpání tepla z chladiče vratným cyklem), což druhý termodynamický zákon zakazuje. Pokud by byla účinnost obou strojů (vratného a nevratného) stejná, byl by celý výsledný cyklus vratný, což je v rozporu s předpokladem nevratnosti jednoho ze strojů.

Důsledkem druhé hlavní věty termodynamiky je tzv.

Reverzný Carnotov cyklus pozostáva z dvoch izotermických procesov a dvoch adiabatických procesov. Za predpokladu, že teplota nízkoteplotného zdroja tepla (tj. Chladeného predmetu) je T0 a teplota vysokoteplotného zdroja tepla (tj. Prostredia) je Tk, teplota pracovnej tekutiny je T0 počas proces absorpcie tepla a Tk počas procesu uvoľňovania tepla, to znamená, že v procese absorpcie tepla a uvoľňovania tepla neexistuje žiadny teplotný rozdiel medzi pracovnou tekutinou a zdrojom chladu a zdrojom tepla s vysokou teplotou, to znamená prenosom tepla sa vykonáva za izotermických podmienok a procesy kompresie a expanzie sa vykonávajú bez akejkoľvek straty. Proces cyklu je nasledovný: Po prvé, pracovná tekutina absorbuje teplo q0 zo studeného zdroja (tj. Chladeného predmetu) pod T0 a vykonáva izotermickú expanziu 4-1 a potom prostredníctvom adiabatickej kompresie 1-2 jeho teplota. sa zvýši z T0 na médium prostredia Teplota Tk, a potom sa vykoná izotermická kompresia 2-3 pod Tk, a uvoľní sa teplo qk do prostredia (tj. vysokoteplotný zdroj tepla), a nakoniec sa vykoná adiabatická expanzia 3-4 na urobte pokles teploty z Tk na T0, aj keď sa pracovná tekutina vráti do pôvodného stavu 4, čím sa cyklus dokončí.

Reverzný Carnotov cyklus kladie základy teórie chladenia a reverzný Carnotov cyklus odhaľuje hranicu koeficientu chladenia klimatizácie (bežne známy ako EER alebo COP). Celé odparovacie chladenie nemôže prelomiť reverzný Carnotov cyklus.

V teórii reverzného Carnotovho cyklu existujú iba dva spôsoby, ako zlepšiť koeficient chladenia klimatizácií: 1. Zlepšite účinnosť kompresora. Z vyššie uvedeného odvodenia je možné zistiť, že teoreticky je v malých klimatizáciách iba 19% priestor na zlepšenie účinnosti; a 9% priestor na zvýšenie účinnosti veľkých závitovkových vodných strojov. 2. Strata expanznej práce a strata vnútorného trenia (takzvaná vnútorná ireverzibilná cirkulácia): Neexistuje takmer žiadny priestor a význam na zníženie straty vnútorným trením. Predtým, ako sa hydraulický motor objavil, bol jediným spôsobom, ako vyriešiť stratu expanzných prác, použitie chladiva s veľkým špecifickým objemom na zníženie kvality dodávky. Pretože R410A a iné kompozitné chladivá majú väčší špecifický objem ako R22, straty pri expanzii sa znížia a koeficient chladenia sa relatívne zlepší. Pokiaľ však ide o súčasnú situáciu, použitím chladiva s veľkým špecifickým objemom sa koeficient chladenia nezvýši o viac ako 6%. (12% obmedzeného priestoru)

Energia vzduchu je druh energie nízkej kvality, ktorá existuje široko, je daná rovnako a môže byť voľne využívaná. Cyklus tepelného čerpadla sa používa na zlepšenie energetickej triedy a používa sa na ohrev teplej úžitkovej vody. Pretože jedna časť elektrickej energie môže absorbovať 3 diely energie vzduchu, dodávajú sa 4 diely. Systém tepelnej energie a teplá voda je preto energeticky úsporná a ekologická nová technológia s veľkým vývojovým a aplikačným potenciálom, ktorá má veľkú praktickú hodnotu. Okrem toho ohrievač vody so vzduchovým tepelným čerpadlom zásadne eliminuje bezpečnostné riziká, akými sú únik elektrického ohrievača vody, suché spaľovanie a škodlivý plyn, ktorý vzniká pri prevádzke plynových ohrievačov vody. Prekonáva nedostatky solárnych ohrievačov vody, ktoré nemôžu fungovať v daždivých a daždivých dňoch. Má vysokú účinnosť, úsporu energie, bezpečnosť a ochranu životného prostredia a prevádzku za každého počasia. Pohodlné použitie a mnoho ďalších výhod.

Samozrejme, okrem toho je aplikácia fyzikálnej chémie v našich životoch veľmi rozsiahla, ako napríklad chémia rozhrania a koloidná chémia s nanovedy, aplikácia prvého zákona termodynamiky pri syntéze amoniaku a chémia koloidných povrchov v r. prací prášok a kozmetika.

[1] ANTAL, Štefan. Termodynamika. Bratislava : Edičné stredisko STU, 1992. 317 s.

tags: #obrátky #Carnotovho #cyklu

Populárne príspevky:

• Jednoduchý Recept na Tortu
• Vplyv jablka na zdravie
• "Veľké ryby" slovenskej politiky
• Všetko o Tvarohu z Lidla
• Jednoduchý recept na lososa