Cycle und Carnot's Theorem • James Trefil, Encyclopedia "Zweihundert Gesetze des Universums"

Carnot-Zyklus und Theorem

Ideale Maschinen im wirklichen Leben gibt es nicht, es ist nur ein mentales Konstrukt. Jede dieser hypothetischen Maschinen, unter denen Carnot-Motor nimmt einen wichtigen Platz ein, illustriert einige wichtige theoretische Schlussfolgerungen. (Selbst eine Luftschleuse namens Perpetuum mobile dient im Wesentlichen nur dazu, zu zeigen, dass Energie nicht aus dem Nichts gewonnen werden kann.) Der Carnot-Motor, der die Grundlage einer idealen Wärmekraftmaschine bildet, wurde vor 20 Jahren von dem französischen Ingenieur Sadi Carnot erfunden. wie die Grundlagen der Thermodynamik formuliert wurden, aber es illustriert eine wichtige Konsequenz des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.

Der Arbeitsteil des Carnot-Motors kann man sich als einen Kolben in einem mit Gas gefüllten Zylinder vorstellen. Da der Carnot-Motor eine rein theoretische Maschine ist, dh ideal, werden die Reibungskräfte zwischen dem Kolben und dem Zylinder und die Wärmeverluste als Null betrachtet. Der Kolben kann sich frei zwischen zwei bewegen Wärmespeicher – mit hoher Temperatur und niedriger Temperatur. (Stellen Sie sich vor, dass ein heißer Wärmespeicher durch das Verbrennen einer Mischung aus Benzin und Luft erhitzt wird,und der kalte wird durch Wasser oder Luft bei Raumtemperatur gekühlt.) Der folgende ideale vierphasige Zyklus tritt in dieser Wärmekraftmaschine auf:

1. Zuerst kommt der Zylinder in Kontakt mit dem heißen Tank und das ideale Gas dehnt sich bei einer konstanten Temperatur aus. In dieser Phase erhält das Gas eine bestimmte Menge Wärme aus dem heißen Reservoir.
2. Dann ist der Zylinder von einer perfekten Wärmeisolierung umgeben, wodurch die dem Gas zur Verfügung stehende Wärmemenge erhalten bleibt und sich das Gas weiter ausdehnt, bis seine Temperatur auf die Temperatur des Kältespeichers sinkt.
3. In der dritten Phase wird die Wärmeisolierung entfernt und das Gas in dem Zylinder, der in Kontakt mit dem kalten Tank ist, wird komprimiert, wodurch ein Teil der Wärme an den kalten Tank abgegeben wird.
4. Wenn die Kompression einen bestimmten Punkt erreicht, ist der Zylinder wieder von einer Wärmeisolierung umgeben, und das Gas wird komprimiert, indem der Kolben angehoben wird, bis seine Temperatur der Temperatur des heißen Tanks entspricht. Danach wird die Isolierung entfernt und der Zyklus wird von der ersten Phase an wiederholt.

Der Carnot-Motor hat viel mit echten Motoren gemeinsam: Er arbeitet in einem geschlossenen Zyklus ( Carnot-Zyklus); es erhält Energie von außen aufgrund des Hochtemperaturprozesses (z. B. beim Verbrennen von Kraftstoff); Ein Teil der Energie wird in die Umwelt abgegeben. In diesem Fall wird eine bestimmte Arbeit ausgeführt (im Fall des Carnot-Motors aufgrund der Translationsbewegung des Kolbens). Effizienz, oder Effizienz Ein Carnot-Motor ist definiert als das Verhältnis seiner Arbeit zu Energie (in Form von Wärme) aus einem heißen Tank. Es ist leicht, diese Effizienz zu beweisen (E) wird durch die Formel ausgedrückt:

E = 1 – (Tc/Th),

wo Tc und Th – bzw. die Temperatur der kalten und heißen Tanks (in Kelvin). Offensichtlich ist die Effizienz des Carnot-Motors weniger als 1 (oder 100%).

Carnots große Erkenntnis ist, dass er gezeigt hat, dass keine einzige Wärmekraftmaschine, die bei zwei gegebenen Temperaturen arbeitet, effizienter sein kann als der ideale Carnot-Motor (diese Aussage wird genannt) Carnots Theorem). Andernfalls würden wir gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen, da ein solcher Motor Wärme aus einem weniger beheizten Reservoir aufnehmen und in ein erhitzteres verwandeln würde. (In der Tat ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik eine Konsequenz des Carnot-Satzes.) So stellt sich das erhaltene Carnot-Verhältnis ein Effizienzgrenze echte Motoren arbeiten in der realen Welt. Man kann ihm nahe kommen, aber seine Ingenieure nicht erreichen und vor allem nicht übertreffen. So spielt der rein hypothetische Motor Carnot eine wichtige Rolle in der Welt der echten, lauten und duftenden Maschinen, was ein weiteres Beispiel für den angewandten Wert rein theoretischer, auf den ersten Blick forschender Forschung ist.

Nicola Leonar Sadi Carnot
Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1796-1832

Französischer Physiker und Militäringenieur. Geboren in Paris. Sein Vater, Lazare Nicola Marguerite Carnot (1753-1823), war ein bedeutender Staatsmann der Napoleonischen Ära, aber als General und Politiker fand er Zeit, reine Mathematik zu studieren. Sadi Carnot studierte an der berühmten Polytechnischen Schule und nach seinem Abschluss 1814 meldete er sich freiwillig für die Front unter dem Kommando von Napoleon Bonaparte, wo er bis zum Sturz Napoleons 1819 als Militäringenieur diente. Danach verließ Sadi Carnot den Militärdienst und widmete sich dem Studium von Naturwissenschaften, Wirtschaft und Kunst. Er war auch an vielen neuen industriellen und technologischen Entwicklungen der Zeit interessiert. Carnot nahm die theoretische Begründung der Funktionsweise von Dampfmaschinen auf und wurde zu einem der Pioniere der Thermodynamik und bot sein berühmtes Modell eines idealen Motors an.Sadi Carnot veröffentlichte seine Ideen 1824 in Form der grundlegenden Abhandlung "Reflexionen über die treibende Kraft des Feuers und über Maschinen, die diese Kraft entwickeln können" (Réflexions sur la puissance motors du feu und les machines propres à développer cette puissance). Als Sadi Carnot 1832 zum Militärdienst im Range eines Hauptmanns zurückkehrte, starb er im Alter von nur 36 Jahren plötzlich vor Cholera auf dem Hintergrund des Scharlachfiebers.


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