La medición de la eficiencia de calor utilizando el principio de carnot
Gracias al trabajo de un ingeniero del siglo 19 llamada Sadi Carnot, se puede aplicar la ley de conservación de la energía para medir el rendimiento térmico de un motor.
Teniendo en cuenta la cantidad de trabajo de un motor térmico hace y su eficiencia, se puede calcular la cantidad de calor que entra y cuánto sale (junto con un poco de ayuda de la ley de conservación de la energía, que une el trabajo, el calor, y el calor hacia fuera juntos). Pero por qué no crear motores de calor eficientes de 100 por ciento? Convertir todo el calor que entra en un motor de calor en trabajo sería bueno, pero el mundo real no funciona de esa manera. Los motores térmicos tienen algunas pérdidas inevitables, tales como a través de fricción en los pistones en un motor de vapor.
El estudio de este problema, Carnot llegó a la conclusión de que lo mejor que puede hacer, efectivamente, es el uso de un motor que no tiene tales pérdidas. Si el motor no experimenta pérdidas, el sistema volverá al estado en que se encontraba antes del proceso tuvo lugar. Esto se llama una proceso reversible. Por ejemplo, si un motor térmico pierde fricción superación de energía, que no tiene un proceso reversible, ya que no terminan en el mismo estado cuando el proceso está completo. Usted tiene el motor térmico más eficiente cuando el motor funciona de forma reversible.
el principio de Carnot dice que ningún motor no reversible puede ser tan eficiente como un motor reversible y que todos los motores reversibles que funcionan entre las mismas dos temperaturas tienen la misma eficiencia. He aquí el problema: Un motor perfectamente reversible, no existe, por lo Carnot se acercó con un ideal.
En el máquina de Carnot, el calor que proviene de la fuente de calor se suministra a una temperatura constante Tmarido. Mientras tanto, el calor rechazado entra en el disipador de calor, que está a una temperatura constante Tdo. Debido a que la fuente de calor y el disipador de calor están siempre a la misma temperatura, se puede decir que la relación entre el calor proporcionado y rechazado es la misma que la relación de esas temperaturas (expresada en grados Kelvin):
Y debido a que la eficiencia de un motor térmico es
la eficiencia de una máquina de Carnot es
Esta ecuación representa la la máxima eficiencia posible de un motor térmico. No se puede hacer nada mejor que eso. Y como la tercera ley de la termodinámica establece, no se puede llegar a cero absoluto, por lo tanto, Tdo Nunca es 0, por lo que la eficiencia es siempre 1 menos algún número. Nunca se puede tener un motor térmico eficiente de 100 por ciento.
Video: Ciclo de Carnot: Eficiencia a partir de temperaturas
La aplicación de la ecuación para obtener la máxima eficiencia posible
es fácil. Por ejemplo, digamos que usted sube con un excelente nuevo invento: una máquina de Carnot que utiliza un globo para la conexión a tierra (27 grados Celsius) como fuente de calor para el aire a 33.000 pies (aproximadamente -25 grados Celsius), que se utilizar como el disipador de calor. ¿Cuál es la eficiencia máxima que se puede obtener por su motor térmico? Después de convertir a temperaturas kelvin, enchufar los números que da
Su máquina de Carnot puede haber más de un 17,3 por ciento de eficiencia - no demasiado impresionante. Por otro lado, asuma que puede utilizar la superficie del Sol (alrededor de 5.800 grados Kelvin) como la fuente de calor y el espacio interestelar (alrededor de 3,40 grados Kelvin) como el disipador de calor (tal es el material historias de ciencia ficción están hechos de). Usted tendría una historia bastante diferente:
Se obtiene una eficiencia teórica para su máquina de Carnot - 99,9 por ciento.
He aquí otro ejemplo. Estás en Hawai, tomando un merecido descanso con otros físicos que trabajan duro. El verano ha sido caliente, y mientras se relaja en la playa, leer un artículo sobre la crisis energética causada por todos los aparatos de aire acondicionado zumbido. Usted coloca el papel como los físicos felices flotando en la convocatoria de surf a ti, diciendo que deberían ser objeto de un baño.
“¿Cómo caliente es?” Le pregunte.
“Muy”, dicen, subiendo y bajando. “Alrededor de 300 grados Kelvin.”
Video: Ejercicio de máquinas de Carnot 3
Hmm, que piensa. Si usted podría crear una máquina de Carnot y el uso de la superficie del océano como la fuente de calor de entrada (300 grados Kelvin) y el fondo del océano (unos 7 grados Celsius o 280 grados Kelvin) como el disipador de calor, lo que haría la eficiencia de dichas ser un motor? Y la cantidad de calor de entrada se necesita para abastecer a todo las necesidades energéticas de los Estados Unidos durante un año
matemáticas para encontrar la eficiencia:
Video: Rendimiento CICLO de CARNOT termodinamica TECNOLOGIA
Hmm, eficiencia 6,7 por ciento. Así que la cantidad de calor de entrada sería necesaria para conseguir
Usted sabe que la eficiencia = W/Qmarido, asi que
La conexión de los números y haciendo los rendimientos de matemáticas
¿Cuánto le toma que el calor fuera del medidor superior del océano Pacífico cambiar su temperatura? Supongamos que el primer metro del Océano Pacífico contiene aproximadamente
El calor ganado o perdido está ligado al cambio de temperatura por
por lo que el cambio de temperatura sería
La conexión de los números y hacer los cálculos le da un cambio de temperatura de
Así que si su máquina de Carnot se conecta desde la parte superior del océano Pacífico hasta el fondo y aspirado todo su calor fuera del medidor superior de la superficie del agua, sería reducir la temperatura de ese metros encima del agua en 4,5 grados centígrados para el suministro todas las necesidades energéticas de los Estados Unidos durante un año.