Carnot-körfolyamat
A termodinamika
alapvető körfolyamata, amelyet Sadi Carnot
francia mérnök írt le 1824-ben, miközben a gőzgép
működési elvét próbálta megmagyarázni.
Négy szakaszból áll: izotermikus, majd
adiabatikus tágulás, amelyet izotermikus,
majd adiabatikus összenyomás követ.
A Carnot-gép a lehetséges legnagyobb termikus
hatásfokú hőerőgép (Carnot törvénye).
A hőnek
mechanikai munkává vagy villamos energiává történő átalakítását a hőközlés és
hőelvonás hőmérsékletei befolyásolják. Adott hőmérséklethatárok között az átalakítás
legnagyobb hatásfokát olyan körfolyamattal érhetjük el, amelyben mind a hőközlés
(T1), mind a hőelvonás hőmérséklete (T2) állandó (izotermikus) és az energiaszállítás
minden részfolyamata veszteségmentes (reverzibilis).
A Carnot-körfolyamat.
Az energiatermeléshez közölt hőteljesítmény:
Q1 = T1 * DS
ahol:
T1 - a turbinára jutó gőz hőmérséklete
DS - az entrópia változása
Hasznosan kinyerhető mechanikai (villamos) teljesítmény:
Pki = (T1 + T2) * DS
ahol:
T1 - a turbinára jutó gőz
hőmérséklete
T2 - a turbinából jutó gőz
hőmérséklete
DS - az entrópia változása
Az elvonandó, mechanikai vagy villamos teljesítménynyé át nem alakult hőteljesítmény
(veszteség):
Q2 = T2 * DS
Hőmérleg:
Q1 = Pki + Q2
Az ideális villamosenergia-termelésre jellemző Carnot-hatásfok:
h = Pki / Q1 = (Q1 - Q2) / Q1 = 1 - (T2 / T1)
A termodinamika III. főtétele értelmében T2 sosem lehet 0 K, ezért a Carnot-körfolyamat hatásfoka mindig kisebb mint egy.
A Carnot-körfolyamat hatásfoka
korlátozott, hiszen a környezeti hőmérséklet
a T2 értékének alsó korlátja, a kritikus hőmérséklet pedig a széleskörűen alkalmazott
víz, illetve vízgőz munkaközeg
esetén Tkr = 374 °C = 647 K a T1 felső korlátja.
Határesetben (T2=0 °C = 273 K, T1= Tkr) a Carnot-körfolyamat hatásfoka:
hmax = 1 - (T2/T1) = 1 - (273/647) = 0,578 = 57,8 %
Nézzük meg, hogy a házi körülmények között milyen hatásfokot tudunk elérni. A levegő hőmérséklete legyen T2 = 20 °C = 293 K, a gőz hőmérséklete pedig T1 = 100 °C = 373 K. Ekkor a hatásfok:
h = 1 - (293 / 373) = 0,214 = 21,4 %
Ahhoz, hogy ezt megnöveljük, növelni kell a vízgőz hőmérsékletét. 150 °C-nál (433 K) a hatásfok 1-(293/433) = 32,3 %. 40 %-os hatásfokot 215 °C-nál érhetünk el.
Fizikai és technikai problémák miatt a Carnot-körfolyamat a gyakorlatban
nem használható, és kidolgoztak már más körfolyamatokat a valódi erőgépekhez.
Ezek a körfolyamatok pontosabban tükrözik, hogy a valódi erőgépben
levő gázok hogyan veszik fel és adják
le a hőt.