Den Carnot cyklus er en teoretisk termodynamisk cyklus for et rystesignal motor , består af fire reversible processer : en reversibel isotermisk ekspansion , en reversibel adiabatisk ekspansion (derfor isentropisk ), en reversibel isotermisk kompression, og en reversibel adiabatisk kompression.
Under kørsel er dette den mest effektive cyklus til at få arbejde fra to varmekilder med konstant temperatur , der betragtes som termostater . Det beskrives derefter i en anti-trigonometrisk retning (med uret) i et Clapeyron- diagram eller et Watt-diagram. Omvendt cyklus (kørt mod uret, mod uret) er den mest effektive måde at overføre termisk energi fra en kold kilde til en varm kilde gennem arbejde.
Den effektivitet af andre cykler og reelle maskiner sammenlignes med den for Carnot cyklus gennem effektivitet , et dimensionsløst tal mellem 0 (nul effektivitet) og 1 (perfekt effektivitet).
Det blev udgivet af Sadi Carnot i 1824 i hans unikke værk Refleksioner om brandets drivkraft og maskinerne, der er egnede til at udvikle denne kraft, og tillod at bane vejen for formuleringen af det andet princip om termodynamik .
Carnot forsøgte at definere den cyklus med den bedst mulige effektivitet. Således kan effektiviteten af enhver termodynamisk maskine sammenlignes med effektiviteten af Carnot-cyklussen. Det er en teoretisk cyklus: Faktisk er cyklussen reversibel, den finder sted i fravær af dissipative fænomener og kvasistatisk og er derfor ikke en reel cyklus (se især forestillingen om termodynamik med reversibilitet ).
Cyklussen består af fire på hinanden følgende transformationer (bogstaverne ABCD henviser til diagrammer):
Det andet princip for termodynamik gør det muligt at etablere en reversibel transformation (for hvilken temperaturen ved væskens grænse er lig med kildens temperatur) ligestillingen mellem Clausius og Carnot :
med:
Et systems termodynamiske (eller energi) effektivitet defineres som forholdet mellem den nyttige energi ved output af dette system og den energi, der leveres af brugerne ved indgangen til dette system. For en motor Carnot-cyklus har vi derfor:
.For en motor Carnot cyklus, den nyttige energi er den, der svarer til den algebraiske arbejde W tilvejebragt af fluidet (og derfor tælles negativt), og den energi, der modtages af fluidet er i form af termisk energi fra den varme kilde ( Q c ) gennem termisk overførsel.
Per definition opnår vi derfor for en Carnot-cyklus:
.Derudover giver det første princip om termodynamik anvendt til denne cyklus:
.Vi opnår derfor:
Clausius-Carnot-lighed (udtryk for det andet princip) siger, at
Så:
η≤ 1-TfTvs.{\ displaystyle \ eta \ leq \ 1 - {\ frac {T_ {f}} {T_ {c}}}}Vi opnår en effektivitet η <1 . Det er derfor umuligt at opnå 100% effektivitet, selv for den Carnot cyklus fuldt reversibel motor, med undtagelse af den urealistiske tilfælde: T f = 0 K .
I tilfælde af en kølemaskine ( klimaanlæg , køleskab osv.) Modtager Carnot-cyklussen eksternt arbejde og bruger det til at udføre en termisk overførsel, der tillader termisk energi at blive taget fra det medium, man søger at køle ned, kaldet forkølelse kilde (f.eks. inde i et køleskab). Effektiviteten af en sådan cyklus er givet ved:
.Effektiviteten af en Carnot-kølemaskine er ikke nødvendigvis mindre end 1. Det er desto større (og har en tendens til uendelig), da kildens temperaturer er tæt på hinanden. Alle virkelige kølemaskiner har lavere effektivitet end den tilsvarende Carnot-maskine.
I tilfælde af en varmepumpe modtager Carnot-cyklussen et eksternt arbejde og bruger det til at bringe termisk energi til miljøet, som man søger at varme op, kaldet en varm kilde (for eksempel det indre af varmepumpen ). 'A hus). Effektiviteten af en sådan cyklus er givet ved:
.Denne effektivitet kaldes ydelseskoefficient eller COP snarere end effektivitet, da dens værdi systematisk er større end 1.
Værdien af tilvejebringer den øvre grænse af COP nogen reel varmepumpe drift mellem kilderne ved temperaturer T f og T c .