Messung des Wärmeeffizienz Mit Carnot-Prinzip

Dank der Arbeit eines Ingenieurs dem 19. Jahrhundert namens Sadi Carnot, können Sie das Gesetz der Erhaltung der Energie gelten die Wärmeeffizienz eines Motors zu messen.

In Anbetracht der Menge an Arbeit, eine Wärmekraftmaschine ist und seine Effizienz, können Sie berechnen, wie viel Wärme geht und wie viel kommt aus (zusammen mit ein wenig Hilfe aus dem Gesetz der Erhaltung der Energie, die Arbeit bindet, Wärme in und Wärme aus zusammen). Aber warum man nicht 100 Prozent effizienter Verbrennungsmotoren? Konvertieren alle Wärme, die in einer Wärmekraftmaschine in die Arbeit geht wäre schön, aber die reale Welt funktioniert nicht auf diese Weise. Verbrennungsmotoren haben einige unvermeidbare Verluste, beispielsweise durch Reibung an den Kolben in einer Dampfmaschine.

Das Studium dieses Problems kam Carnot zu dem Schluss, dass das Beste, was Sie tun können, effektiv ist, einen Motor zu verwenden, die keine solchen Verluste hat. Wenn der Motor keine Verluste erfährt, kehrt das System in den Zustand wie vor dem der Prozess stattfand. Dies nennt man eine reversibler Prozess. Wenn beispielsweise eine Wärmekraftmaschine Energie Überwindung Reibungs verliert, muss es nicht ein reversibler Prozess, da es in dem gleichen Zustand nicht am Ende, wenn der Prozess abgeschlossen ist. Sie haben die effizienteste Wärmekraftmaschine, wenn der Motor reversibel arbeitet.

Carnot-Prinzip so effizient wie ein reversibler Motor, und dass alle Motoren reversible so dass kein nonreversible Motor zwischen den beiden gleichen Temperaturen haben die gleiche Effizienz sein kann, die funktionieren. Hier ist der Kicker: Eine perfekt reversible Motor nicht existiert, so Carnot kam mit einem idealen up.

In dem Carnot-Maschine, die Wärme, die von der Wärmequelle kommt, wird auf einer konstanten Temperatur zugeführt T_h. Unterdessen geht die Abwärme in die Wärmesenke, die auf einer konstanten Temperatur ist T_c. Da die Wärmequelle und die Wärmesenke immer bei der gleichen Temperatur sind, können Sie sagen, dass das Verhältnis der Wärme zur Verfügung gestellt und wies das gleiche wie das Verhältnis dieser Temperaturen ist (in Grad Kelvin ausgedrückt):

Und da die Effizienz einer Wärmekraftmaschine ist,

die Effizienz eines Carnot-Motor ist

Diese Gleichung stellt die maximal mögliche Effizienz einer Wärmekraftmaschine. Sie können nicht besser tun als das. Und als drittes Gesetz der Thermodynamik besagt, können Sie nicht absolut Null erreichen deshalb, T_c0 ist nie, so dass die Effizienz immer 1 minus einige Zahl ist. Man kann nie eine 100-Prozent effizienter Wärmekraftmaschine haben.

Die Anwendung der Gleichung für maximal mögliche Effizienz

ist einfach. Zum Beispiel, sagen, dass Sie mit einem tollen neuen Erfindung kommen: Carnot-Motor, der einen Ballon verwendet den Boden (27 Grad Celsius) als Wärmequelle an der Luft bei 33.000 Fuß (etwa -25 Grad Celsius) zu verbinden, die Sie Verwendung als Kühlkörper. Was ist die maximale Effizienz, die Sie für Ihre Wärmekraftmaschine zu bekommen? Nach Temperaturen kelvin Konvertieren gibt Ihnen in den Zahlen Aufstecken

Ihr Carnot-Maschine kann nicht mehr als 17,3 Prozent effizienter sein - nicht allzu beeindruckend. Auf der anderen Seite, übernehmen Sie die Oberfläche der Sonne (ca. 5.800 Kelvin) als Wärmequelle und der interstellare Raum (etwa 3,40 Kelvin) als Wärmesenke (so ist der Stoff, Science-Fiction-Geschichten sind aus) nutzen können. Sie müssten eine ganz andere Geschichte:

Sie erhalten eine theoretische Effizienz für Ihr Carnot-Maschine - 99,9 Prozent.

Hier ist ein weiteres Beispiel. Sie befinden sich in Hawaii, einen wohlverdienten Urlaub mit anderen hart arbeitenden Physiker nehmen. Der Sommer war heiß, und wie Sie am Strand liegen, lesen Sie einen Artikel über die Krise Energie von all jenen flirrenden Klimaanlagen verursacht werden. Sie legen das Papier wie die glücklichen Physiker in der Brandung Anruf zu Ihnen wippe nach unten, sagen, Sie für ein Bad kommen sollte.

# 147-Wie warm ist es? # 148- Sie fragen.

# 147-Sehr, # 148- sie sagen, schwingt auf und ab. # 147-Über 300 Kelvin # 148.

Hmm, Sie denken. Wenn Sie könnten einen Carnot-Maschine erstellen und die Oberfläche des Ozeans als Eingangswärmequelle (300 Kelvin) und dem Boden des Ozeans (etwa 7 Grad Celsius oder 280 Kelvin) Verwendung als Kühlkörper, was würde der Wirkungsgrad solcher ein Motor sein? Und wie viel Input Wärme würden Sie brauchen für ein Jahr den gesamten Energiebedarf der Vereinigten Staaten zu liefern

Mathematik, die Effizienz zu finden:

Hmm, 6,7 Prozent Effizienz. Also, wie viel Wärmezufuhr erforderlich wäre, um zu bekommen

Sie wissen, dass Effizienz = W/Q_h, damit

Anstecken in den Zahlen und macht die mathematischen Ausbeuten

Wie viel würde nehmen, dass die Wärme aus dem oberen Meter des Pazifischen Ozeans durch seine Temperatur zu ändern? Angenommen, dass die Top-Meter des Pazifischen Ozeans über enthält

Die Wärme gewonnen oder verloren wird auf eine Temperaturänderung gebunden durch

so dass die Temperaturänderung wäre

Anstecken die Zahlen und die Mathematik zu tun gibt Ihnen eine Temperaturänderung von

Also, wenn Ihr Carnot-Maschine von der Spitze des Pazifischen Ozeans auf den Boden und saugte all seine Wärme aus dem oberen Meter des Oberflächenwassers verbunden waren, würde er die Temperatur des oberen Meter Wassertiefe um 4,5 Grad Celsius senken zu liefern alle Energiebedarf der Vereinigten Staaten für ein Jahr.