Как работает цикл Карно?

Я изучаю цикл Карно, состоящий из четырех преобразований жидкости.

В первых двух преобразованиях объем жидкости увеличивается, производя работу.

Это происходит в два этапа:

  1. Сначала подходим к горячему источнику и газ расширяется и совершается работа (ладно, температура увеличивается и жидкость хочет расширяться → произведенная работа происходит 100% от потребленного тепла, т.к. внутренняя энергия не менялась при изотермическом процессе)
  2. Затем мы удаляем горячий источник, и предполагается, что газ будет продолжать расширяться ( Вопрос A : Не совсем уверен, как газ продолжает расширяться после того, как мы удалим горячий источник. Если рядом нет источников тепла, кажется логичным ожидать, что расширение просто остановить. Почему он хочет продолжать? Расширение означает совершенную работу. Поскольку нет потока тепла, газ будет терять внутреннюю энергию. Почему газ хочет потерять внутреннюю энергию, чтобы создать работу?).

При вторых двух превращениях объем жидкости уменьшается.

Это происходит в два этапа:

  1. Во-первых, мы приближаемся к холодному источнику, поэтому жидкость естественным образом отводит некоторое количество тепла к холодному источнику и, следовательно, снижает его температуру и, следовательно, уменьшает его объем. (Это вполне разумно).
  2. Наконец, жидкость продолжает сжиматься, автоматически увеличивая свою температуру и давление, возвращаясь в состояние номер 1 ( Вопрос B : Как можно ожидать, что жидкость будет продолжать сжиматься автоматически? Поскольку это адиабатический процесс и повышение температуры, это означает, что работа должна выполняться. выполняться в системе. Кто выполняет эту работу?).

1 и 3 основаны на размещении источника тепла рядом с жидкостью, поэтому природа будет делать то, что она делает, в соответствии со вторым законом.

Но 2 и 4 кажутся мне магией, так как я не понимаю, что происходит за кулисами.

Есть похожий вопрос , но я так и не понял. Подумал, что лучше создать новый вопрос, чем комментировать старый. Кроме того, таким образом я могу изложить свою полную точку зрения по делу.

Я также хотел бы понять, как это связано с эффективностью цикла Карно.

Что исходит из чего-то вроде:

г е н е р а т е д Вт о р к г я в е н Е н е р г у "=" ЧАС е а т я н − ЧАС е а т О ты т ЧАС е а т я н

Это понятно, но потом это продолжается так:

ЧАС е а т я н − ЧАС е а т О ты т ЧАС е а т я н "=" 1 − Т с о л д Т час о т

При этом есть две путаницы:

Вопрос С.

Как можно так просто смешать тепло и температуру ?

Это почти то же самое, что сказать, что тепло = температура.

Кроме того, я понял, что тепло никогда не бывает абсолютным, но вариативным. Хотя температура на самом деле является абсолютной мерой.

Вопрос Д.

Если 4 действительно требует внешней работы для сжатия, то почему эта прикладная работа не отражается на эффективности? (может и есть, но я его не вижу)

ОБНОВЛЕНИЕ :

Очень полезно это видео: https://youtu.be/d6eJ8mccvu0&t=939

В (адиабатическом) шаге 2 представьте, что у вас есть вертикальный цилиндр с поршнем, а сверху поршня находится куча небольших грузов. По мере того, как вы постепенно снимаете грузы с поршня, газ расширяется и поршень поднимается. Это приводит к выполнению работы по поднятию оставшихся грузов, которые все еще находятся на поршне. Шаг 4 противоположен этому. В обоих случаях совершается работа по подъему тяжестей, и газ расширяется без подвода тепла.
@ChetMiller Спасибо, но «В обоих случаях выполняется работа по поднятию тяжестей» -> Кто или что выполняет эту работу? Таким образом, цикл — это просто идея, но кто-то должен найти способ выполнить эту работу. Как же тогда эта работа, приложенная к системе, учитывается в КПД? Я вижу только сетевую работу, но не прикладную работу. И... я думаю, это нормально думать, что будет больше или меньше работы в зависимости от того, как вы создадите настоящую машину. Это рассмотрение идеального процесса, но, тем не менее, не указывается, откуда берется эта работа. «По мере того, как вы постепенно снимаете груз с поршня». Кто это делает?
Упс. Я неправильно выразился. На шаге 4 добавление грузов влияет на газ, так как поршень опускается. Кроме того, пожалуйста, поймите, что работа, проделанная газом на шаге 2, точно соответствует работе, проделанной газом на шаге 4. Таким образом, на шагах 2 и 4 нет чистой работы.
@ChetMiller Я не вижу, чтобы выполняемая работа была одинаковой, поскольку мы берем одинаковое количество материала из состояния 2 в 3, а затем из 4 в 1. Все они имеют разную внутреннюю энергию, так что ... как они могут быть такой же? Кроме того, я не понимаю, почему на шаге 2 жидкость хочет расшириться. Если нет теплообмена, то зачем газу вообще расширяться? Я ожидаю, что он просто останется там. Что заставляет его расширяться?
Снятие веса с поршня снижает приложенное снаружи давление и заставляет его расширяться. Работа в сети выполняется на шагах 1 и 3. На самом деле, просто посмотрите ответ @Bob D.

Ответы (1)

Типичное описание цикла Карно - это использование закрытого цилиндра, содержащего идеальный газ, снабженного поршнем с валом, который выходит за пределы цилиндра для взаимодействия с окружающей средой. В дальнейшем я буду называть жидкость идеальным газом.

Сначала подходим к горячему источнику (ладно, температура повышается и жидкость хочет расшириться)

Первый процесс – обратимое изотермическое (при постоянной температуре) расширение. Температура не повышается. Для идеального газа это означает, что произведение давления на объем постоянно. По мере расширения объема давление, противодействующее расширению со стороны окружающей среды, должно пропорционально уменьшаться. Работа, совершенная при расширении, в точности равна присоединенной теплоте, а изменение внутренней энергии равно нулю. По первому закону Δ U "=" Вопрос − Вт . С Δ U "=" 0 , у нас есть Вопрос "=" Вт и Вопрос "=" Т ЧАС О Т Δ С где Δ С это изменение энтропии.

Затем мы удаляем горячий источник (Вопрос A: Не совсем уверен, как жидкость продолжает расширяться после того, как мы удаляем горячий источник. Если поблизости нет источников тепла, кажется логичным ожидать, что расширение просто прекратится.).

Второй процесс является обратимым адиабатическим (без теплообмена). Ответ на вопрос А заключается в том, что газ продолжает расширяться, потому что внешнее давление постепенно намеренно снижается, чтобы расширение продолжалось. С Вопрос "=" 0 работа при расширении совершается за счет внутренней энергии, Δ U "=" − Вт . Обратите внимание, что Вт считается положительным, когда газ действует на окружающую среду (расширяется).

Во-первых, мы приближаемся к холодному источнику, поэтому жидкость естественным образом отводит некоторое количество тепла к холодному источнику и, следовательно, снижает его температуру и, следовательно, уменьшает его объем.

Третий процесс — обратимое изотермическое (постоянной температуры) сжатие. Это то же самое, что и первый процесс в обратном порядке. В этом случае окружающая среда совершает над газом работу, равную теплопередаче от газа к окружающей среде.

Наконец, жидкость продолжает сжиматься, автоматически повышая свою температуру и давление, возвращаясь в состояние номер 1 (Вопрос B: Как можно ожидать, что жидкость будет продолжать сжиматься автоматически?).

Четвертый и последний процесс — обратимое адиабатическое сжатие. Это то же самое, что и второй процесс, только в обратном порядке, так что работа над газом совершается окружающей средой, а не газ совершает работу над окружающей средой. Ответ на вопрос Б: газ не сжимается «автоматически». Внешний агент в окружающей среде оказывает давление, немного превышающее давление газа, чтобы сжать газ.

Но 2 и 4 кажутся мне магией, так как я не понимаю, что происходит за кулисами.

Подумайте о цикле, выполняемом поршнем и цилиндром, при этом вал поршня соединен с чем-то вне цилиндра. По сути, то, что происходит за кулисами, вне цилиндра, заключается в том, что внешний агент (окружение) либо оказывает давление на газ, немного большее, чем давление газа, чтобы сжать газ (процесс 4) или оказывает давление, немного меньшее, чем давление газа, позволяющее ему расширяться (процесс 2). Важно отметить, что положительная работа, выполненная газом в процессе 2, в точности равна отрицательной работе, выполненной газом в процессе 4, поэтому чистая работа, выполненная для двух процессов, равна нулю.

Для процессов 1 и 3 давление внешнего агента также соответствует расширению или сжатию газа. Но в этих случаях он делает это так, что температура газа остается постоянной.

Вопрос С.

Как можно так просто смешать тепло и температуру?

Это почти то же самое, что сказать, что тепло = температура.

Приравнивая эффективность слева к соотношению температур справа, вы упускаете важные промежуточные этапы.

Генерируемая чистая работа

Вт н е т "=" Вопрос я Н − Вопрос О U Т

Это соответствует энергетическим терминам. Тогда для двух изотермических процессов, где Δ С есть изменение энтропии, имеем следующее:

Вопрос я Н "=" Т ЧАС О Т Δ С

Вопрос О U Т "=" Т С О л Д Δ С

Эффективность определяется

ϒ "=" Вопрос я Н − Вопрос О U Т Вопрос я Н

Замена у нас есть

ϒ "=" Т ЧАС О Т Δ С − Т С О л Д Δ С Т ЧАС О Т Δ С

Что упрощает до

ϒ "=" 1 − Т С О л Д Т ЧАС О Т

Вопрос Д.

Если 4 действительно требует внешней работы для сжатия, то почему эта прикладная работа не отражается на эффективности? (может и есть, но я его не вижу)

Как указано выше, работа адиабатического сжатия, совершаемая газом в процессе 4, в точности равна работе адиабатического расширения, совершаемой газом в процессе 2. Это означает, что они компенсируются и не учитываются при расчете эффективности.

Надеюсь это поможет.

Боб Д. Это просто идеально. Очень ценю тот факт, что чужой человек учит понятнее, чем платные преподаватели в ВУЗах. Конечно, это помогает не только мне, но и другим будущим читателям. Спасибо. Я думал о том, что «положительная работа, совершаемая газом в процессе 2, в точности равна отрицательной работе, совершаемой газом в процессе 4», но я не понимаю, почему это так. Мы работаем с одинаковыми изменениями температуры в обоих процессах, но задействованные объем и давление различны. Будучи работой, общее значение pdV меняется, как я могу четко увидеть, что обе суммы равны?
@AlvaroFranz Рад, что это было полезно. Что касается 2 и 4, вы правы, мы имеем дело с одними и теми же изменениями температуры. Но для идеального газа изменение внутренней энергии зависит ТОЛЬКО от изменения температуры и для любого процесса определяется выражением Δ U "=" С в Δ Т . Так как для адиабатического процесса Δ U "=" − Вт что означает величину Вт будет одним и тем же для обоих процессов, но знак будет другим, и поэтому две работы отменяются. Надеюсь, это прояснит для вас.
Это за гранью ясности. Гений.
Боб, прости, что снова разбудил эту штуку. Но еще одно соображение. Для второго процесса вы говорите… «потому что внешнее давление постепенно намеренно снижается», но затем рассматриваете это как работу, выполняемую системой. Если кто-то/что-то преднамеренно снижает давление, этот кто-то/что-то приложит усилия для расширения, возможно, вытягивая извне, чтобы у газа было больше места внутри его рабочего контейнера. Я имею в виду, что самопроизвольно расширяется не сам газ. Какая-то внешняя вещь помогает ему получить больше места, освобождая это пространство, «вытягивая» вещь, чтобы освободить место.
@AlvaroFranz Нет проблем. Во-первых, для того чтобы изотермическое расширение осуществлялось обратимо, оно должно происходить чрезвычайно медленно (квазистатически). Если бы не было внешнего сопротивления расширению, оно происходило бы быстро. Быстрое расширение вызывает необратимость (генерацию энтропии) и снижение эффективности. Поддерживая внешнее давление немного меньшим, чем давление газа, он медленно расширяется, но работа все еще выполняется. Недостатком обратимого цикла является то, что работа выполняется очень медленно (очень низкая мощность), хотя он и наиболее эффективен.
Я так понимаю, что Карно спроектировал его так, чтобы он работал квазистатически, поскольку это идеальная версия без потери эффективности. Но я все еще не вижу, кто или что делает это бесконечно малое понижение давления, или... лучше сказать, я не вижу, что за эту работу будет отвечать газ. Вместо этого я вижу, что бесконечно малое сжатие от 4 до 1 действительно является внешней работой. Может быть, поскольку все это только идея, мы предполагаем, что газ будет иметь микрорасширения только потому, что он не имеет видимых изменений, и только потому, что никто не возражает против этого. Но... почему это вообще могло случиться?
@AlvaroFranz Во-первых, вам нужно понять, что на самом деле никто не использует тепловую машину с циклом Карно. Кто-то однажды сказал, что если вы поставите двигатель Карно в свою машину, вы получите фантастический расход бензина, но пешеходы будут проходить мимо вас. Это идеализация, чтобы показать, каким может быть максимально возможный КПД тепловой машины. Тем не менее, вы можете пофантазировать, что такое внешний агент. Честер Миллер привел пример с крошечными грузиками (например, песчинками), помещенными сверху невесомого поршня.
Когда вы убираете гири по одному, газ немного расширяется, немного поднимая оставшиеся гири. Поскольку оставшиеся грузы подняты, газ выполняет небольшую работу, которая увеличивает потенциальную энергию оставшихся грузов. Когда вы добавляете грузы по одному, газ немного сжимается, опуская оставшиеся грузы и сжимая газ. Остальные гири совершают над газом небольшую работу, равную падению потенциальной энергии оставшихся гирь.
Ничто из этого не предназначено для представления чего-либо практического. Как я уже сказал, цикл — это идеализация, которая дает вам максимум возможного для тепловой машины. Своего рода эталон для сравнения практических циклов. Надеюсь это поможет.
Зная "спасибо" следует избегать. Должен сказать это. Большое спасибо. Хорошего дня, каждый оставшийся день!
@AlvaroFranz Ты тоже.
@Nico Brenner Я одобрил ваше редактирование, но я, конечно, не собирался «принижать» ОП. Вы можете видеть из комментариев OP, что это не было воспринято таким образом.
К вашему сведению, я не думаю, что это «умаление» того, что они неправильно понимают цикл. Я думаю: «У вас трудности, потому что кажется, что вы не понимаете процессы цикла Карно». было бы намного полезнее, чем полное удаление этой строки (я отклонял редактирование, но вы одобрили его, пока у меня был открыт обзор).
@JMac Спасибо, и я согласен с вами. Просто не хотел придавать этому большого значения. С уважением,
Спасибо, BobD и @JMac, за быстрый и эффективный обзор редактирования. К сожалению, письменный текст может интерпретироваться по-разному. С моей точки зрения как читателя, первое предложение читалось плохо и казалось, что ответ на самом деле не нужен. Теперь я понимаю, что намерения, которое я интерпретировал, изначально не было.
@NicoBrenner Нет проблем. Без вреда.
Помимо того факта, что это «небольшое» соображение не имеет значения, оно делает это место обмена знаниями самым удивительным местом обмена знаниями, которое я знаю. Как насчет этой модели, экстраполированной на политику, где все мирно участвуют... ура!
Как работает цикл Карно?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v