La respuesta es el ciclo de Carnot, que es el ciclo reversible más ideal en termodinámica. Utiliza gas ideal como fluido de trabajo y consta de dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. Este proceso cíclico fue propuesto por el físico e ingeniero francés Carnot en 1824.
(2) Descripción
① Durante todo el ciclo, después de que un gas ideal sufre una serie de cambios de estado, su energía interna permanece sin cambios, pero requiere trabajo e intercambio de calor. El ciclo se divide en cuatro procesos. Está representado por dos isotermas y dos líneas adiabáticas en el diagrama p-V (como se muestra en la figura). En la figura, las curvas AB y CD son dos isotermas con temperaturas T1 y T2, y las curvas BC y DA son dos líneas adiabáticas. Analizamos la circulación a lo largo de la curva cerrada ABCDA en el sentido de las agujas del reloj en el diagrama p-V. (Este ciclo se llama ciclo directo del medio de trabajo. La máquina que realiza el ciclo directo se llama motor térmico. Esta es una máquina que convierte el calor en trabajo).
El primer proceso: A→ B, Expansión isotérmica, q 1 = e B-EA+w 1;
El segundo proceso: B→C, expansión adiabática, O = EC-e B+W2;
El tercer proceso El primer proceso: C→D compresión isotérmica, -Q2 = ED-EC-W3;
El cuarto proceso: D→A, compresión adiabática, O=EA-ED-W4.
Suma las cuatro fórmulas anteriores para obtener q 1-Q2 = w 1+w2-w3-w4 = w0.
Donde q es el calor absorbido de la fuente de calor de alta temperatura, Q2 es el calor liberado a la fuente de calor de baja temperatura y W es el trabajo neto realizado por el gas ideal (fluido de trabajo), que es numéricamente igual a la curva cerrada en el área del diagrama p-V.
Q1-Q2=W.
La fórmula anterior muestra que cuando un gas ideal pasa por un ciclo positivo, parte del calor Q1 absorbido de la fuente de calor de alta temperatura funciona. externamente y la otra parte se libera a la fuente de calor de baja temperatura (como se muestra en la figura). En otras palabras, el calor Q1 no se puede convertir completamente en trabajo W, sólo Q1-Q2 se convierten en trabajo. La eficiencia térmica de un motor térmico general se expresa como etat = w/q 1 =(q 1-Q2)/q 1 = 1-q 1/Q2.
Dado que Q2 no puede ser igual a cero, la eficiencia térmica del motor térmico siempre es menor que L, y etat suele expresarse como porcentaje.
② Carnot demostró además teóricamente que en el ciclo de Carnot,
El calor absorbido durante la expansión isotérmica QL = nrtl 1n v2/v 1(1).
El calor liberado durante la compresión isotérmica Q2=nRT2lnV3/V4, (2)
De la ecuación adiabática TVγ-1=constante, podemos obtener t 1t v2γ-1 = t2tv 3γ -1 (3).
t 1 TV 1γ-1 = T2 TV 4γ-1(4)
Donde t representa la temperatura absoluta de la fuente de calor de alta temperatura y t representa la temperatura absoluta de la fuente de calor de baja temperatura.
La fórmula muestra que todos los motores térmicos deben tener dos fuentes de calor, alta temperatura y baja temperatura, para completar un ciclo. La eficiencia térmica de un motor térmico sólo está relacionada con las temperaturas de las dos fuentes de calor y no tiene nada que ver con el fluido de trabajo. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre las dos fuentes de calor, mayor será la eficiencia térmica, es decir, mayor será la utilización del calor absorbido de la fuente de calor. Para mejorar la eficiencia térmica, es necesario aumentar la temperatura de la fuente de calor de alta temperatura o reducir la temperatura de la fuente de calor de baja temperatura. Generalmente se adopta la primera. Esta fórmula señala una forma para que las personas mejoren la eficiencia de los motores térmicos.
③El ciclo de Carnot también se puede realizar a lo largo de la curva cerrada ADCBA en el sentido contrario a las agujas del reloj del diagrama p-V, lo que se denomina ciclo inverso. En este ciclo inverso, el mundo exterior debe trabajar para el sistema que absorbe calor de la fuente de calor de baja temperatura. Se puede eliminar cualquier cantidad de calor de una fuente de calor de baja temperatura simplemente repitiendo el ciclo inverso. Se llama refrigerador a la máquina de ciclo inverso, que utiliza trabajo externo para obtener bajas temperaturas.
Ciclo de Carnot inverso
Incluye dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. Supongamos que la temperatura de la fuente de calor de baja temperatura (es decir, el objeto a enfriar) es T0 y la temperatura de la fuente de calor de alta temperatura (es decir, el medio ambiental) es Tk, entonces la temperatura del medio de trabajo
T0 en el proceso endotérmico y T0 en el proceso exotérmico Tk, es decir, durante los procesos de absorción y liberación de calor, no existe diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo, la fuente de frío y la alta -Temperatura de la fuente de calor, es decir, la transferencia de calor se realiza a una temperatura isotérmica, y no hay pérdida en los procesos de compresión y expansión.
El proceso del ciclo es el siguiente:
Primero, el medio de trabajo absorbe calor q0 de la fuente fría (es decir, el objeto a enfriar) en el momento T0, sufre una expansión isotérmica de 4-1 y luego cambia su la temperatura de 1 a 2 a través de la compresión adiabática T0 se eleva a la temperatura Tk del medio ambiente, y luego realiza 2-3 compresiones isotérmicas en el momento Tk, libera calor qk al medio ambiental (es decir, fuente de calor de alta temperatura), y finalmente realiza 3-4 expansiones adiabáticas.
Para el ciclo de Carnot inverso, se puede ver en la figura:
q0=T0(S1-S4)
qk=Tk(S2-S3) ) =Tk(S1-S4)
w0 = qk-Q0 = Tk(s 1-S4)-T0(s 1-S4)=(Tk-T0)(s 1-S4)
El coeficiente de refrigeración εk del ciclo de Carnot inverso es:
Se puede ver en la fórmula anterior que el coeficiente de refrigeración del ciclo de Carnot inverso no tiene nada que ver con la naturaleza del proceso. fluido, y solo depende de la fuente fría (es decir, la temperatura T0 enfriada del objeto) y la temperatura tk de la fuente de calor (es decir, el medio ambiental) reducir Tk y aumentar T0 puede aumentar el coeficiente de enfriamiento; Además, la segunda ley de la termodinámica se puede utilizar para demostrar que "dentro de un rango de temperatura de fuente de calor y frío determinado, el coeficiente de refrigeración del ciclo de Carnot inverso es el más alto". El coeficiente de refrigeración de cualquier ciclo de refrigeración real es menor que el del ciclo de Carnot inverso.
En términos generales, el ciclo de refrigeración ideal debería ser el ciclo de Carnot inverso. De hecho, el ciclo de Carnot inverso no se puede realizar, pero se puede utilizar como indicador para evaluar la perfección del ciclo de refrigeración real. Por lo general, la relación entre el coeficiente de refrigeración ε del ciclo de refrigeración real que funciona a la misma temperatura y el coeficiente de refrigeración εk del ciclo de Carnot inverso se denomina perfección térmica del ciclo del refrigerador, representada por el símbolo eta. Es decir: η=ε/εk
La perfección térmica se utiliza para indicar el grado en que el ciclo del refrigerador se acerca al ciclo inverso de Carnot. También es un indicador técnico y económico del ciclo frigorífico, pero su significado es diferente al coeficiente de refrigeración. Para ciclos de refrigerador con diferentes temperaturas de funcionamiento, la economía de los ciclos no se puede comparar en función de sus coeficientes de refrigeración, sino que solo se puede comparar en función de la perfección térmica de los ciclos.