열역학과 카르노 사이클

열역학 한 단원인 카르노 사이클이 이번 주제입니다. 물리학은 복잡한 실제 시스템을 설명하는데 사용할 수 있습니다. 실제 생활에서 직면하게 될 많은 문제는 근사치와 단순화하여 먼저 해결할 수 있습니다. 이것은 물리학자뿐만 아니라 엔지니어라면 유용한 접근법입니다. 문제의 가장 중요한 구성 요소를 파헤치고 시스템 작동 방식을 파악하고 있는 경우 문제를 쉽게 풀 수 있습니다. 따라서 열역학 과정을 이해하려는 물리학자가 더 긴 방정식에 대한 긴 투쟁을 겪는다고 생각할 수 있지만 실제로 실제 물리학자는 카르노 사이클과 같은 이상적 상황을 가정하여 문제를 살펴볼 수 있습니다. 카르노 사이클은 열역학 제2법칙에서 오는 복잡성을 무시하고 시스템의 최대 효율을 단순히 가정하는 특수 열 엔진 사이클입니다. 이를 통해 물리학자들은 열역학 과정을 가역적 주기로 취급합니다. 실제 시스템과 이를 지배하는 비가역적 과정을 수행하기 전에 개념적으로 사물을 훨씬 쉽게 계산하고 이해할 수 있습니다. 열 엔진은 열 에너지를 기계 에너지로 바꾸는 열역학 시스템의 한 유형입니다. 자동차 엔진을 포함하여 실생활에서 대부분의 엔진은 일종의 열 엔진입니다. 열역학의 제1법칙은 에너지가 생성되지 않는다고 말하고 있습니다. 에너지가 보존을 된다는 의미입니다. 한 형태에서 다른 형태로 변환된 것뿐이므로 열 엔진은 사용하기 쉬운 에너지 형태에서 사용 가능한 에너지를 추출하는 한 가지 방법입니다. 이 경우에는 열이 발생합니다. 간단히 말해서, 물질의 가열은 물질을 팽창시키고 이 팽창의 에너지는 다른 작업을 계속할 수 있는 어떤 형태의 운동 에너지로 활용됩니다. 열 엔진을 이루는 상세 부분에는 열 수조, 저온 저장소 및 가스를 포함하는 엔진이 포함됩니다. 열 수조를 고온 열원이라고도 할 수 있습니다. 열 수조는 열 에너지를 가스로 전달하여 피스톤을 구동하는 팽창 만들어냅니다. 이 팽창이 엔진의 동작입니다. 그 과정에서 열 에너지를 저온 저장소로 방출하여 시스템을 초기 상태로 되돌립니다. 열 엔진 사이클에는 다양한 열역학 프로세스가 있을 수 있지만 이상적인 카르노 사이클은 가역적 프로세스를 포함합니다. 실제 프로세스는 일반적으로 시스템의 변경이 엔트로피를 증가시키는 경향이 있기 때문에 되돌릴 수 없지만 프로세스가 이론적으로 완벽하다고 가정하면 이 복잡성을 무시할 수 있습니다. 가역적 프로세스는 열역학 제2법칙을 위반하지 않고 시스템을 초기 상태로 되돌리기 위해 본질적으로 비가역적 실행할 수 있는 프로세스입니다. 등온 공정은 일정한 온도에서 발생하는 가역 공정의 예입니다. 환경과의 열 평형을 유지하기 위해 프로세스를 완료하는데 무한한 시간이 걸리기 때문에 실제 생활에서는 불가능합니다. 실제로는 등온 과정이 매우 느리게 발생하도록 하여 근사화 할 수 있지만 이론적 구성으로는 실제 열역학 과정을 이해하기위한 도구로 생각할 수 있습니다. 단열 과정은 시스템과 환경 사이의 열 전달없이 발생하는 과정입니다. 이것은 실제 시스템에서 항상 약간의 열 전달이 있을 것이기 때문에 실제로 가능하지 않습니다. 그러나 등온 공정과 마찬가지로 실제 열역학 공정에 대한 유용한 근사치가 될 수 있습니다. 카르노 사이클 개요입니다. 카르노 사이클은 단열 및 등온 공정으로 구성된 이상적이고 최대로 효율적인 열 엔진 사이클입니다. 이것은 단순히 완전히 가역적 사이클임을 보장하는 이상적인 형태로 함께 실제 열 엔진을 설명하는 간단한 방법입니다. 이것은 또한 열역학 제1법칙과 이상 기체 법칙을 사용하여 설명하는 것을 더 쉽게 만듭니다. 일반적으로 카르노 엔진은 가스가 팽창 및 수축할 때 움직이는 피스톤이 상단에 부착된 중앙 가스 저장소를 중심으로 제작됩니다. 등온 확장은 카르노 사이클의 첫 번째 단계입니다. 시스템이 확장되면서 시스템의 온도가 일정하게 유지됩니다. 뜨거운 저장소에서 열 에너지를 끌어와 작업으로 변환합니다. 열기관에서는 가스의 양이 변할 때만 작업이 이루어지므로 이 단계에서 엔진은 팽창함에 따라 환경에서 작동합니다. 그러나 이상 기체의 내부 에너지는 온도에만 의존하므로 등온 과정에서 시스템의 내부 에너지는 일정하게 유지됩니다. 등방성 또는 단열 확장 단계입니다. 이 단계에서 등방성 또는 단열이라는 단어는 시스템과 주변 환경 간에 열이 교환되지 않는다는 의미입니다. 첫 번째 법칙에 따라 내부 에너지의 전체 변화는 시스템이 수행하는 작업에 의해 제공됩니다. 시스템은 단열적으로 확장되므로 체적이 증가하면 시스템 내의 온도가 감소합니다. 또한 다음 식에 따라 시스템의 내부 에너지 감소를 설명하는 것으로 프로세스의 시작부터 끝까지 온도 차이에 대해 생각할 수 있습니다. 여기서 일정한 부피에서 물질의 열용량을 생각하면 됩니다. 이 과정에서 시스템의 엔트로피가 동일하게 유지되기 때문에 등 엔트로피라고도 합니다. 즉, 완전히 가역적입니다. 등온 압축 단계입니다. 등온 압축은 시스템이 일정한 온도로 유지되는 동안 부피 감소입니다. 그러나 가스의 압력을 높이면 일반적으로 온도 상승이 동반되므로 추가 열 에너지는 어딘가로 이동해야 합니다. 카르노 사이클의 이 단계에서 추가 열은 냉장 저장고로 전달되며, 첫 번째 법칙에 따라 가스를 압축하려면 환경이 시스템에서 작업을 수행해야합니다. 사이클의 등온 부분으로서 시스템의 내부 에너지는 전체적으로 일정하게 유지됩니다. 이전과 마찬가지로 이것은 시스템이 수행하는 작업이 열역학 제1법칙에 따라 시스템에 손실된 열과 정확히 균형을 이룬다는 것을 의미합니다. 프로세스의 이 부분에 대해 1 단계의 것과 유사한 표현이 있습니다. 마지막 단계는 단열 압축입니다. 즉, 시스템이 주변 환경에서 수행된 작업으로 인해 압축되지만 둘 사이의 열 전달은 없습니다. 이것은 가스의 온도가 상승하여 시스템의 내부 에너지에 변화가 있음을 의미합니다. 프로세스의 이 부분에는 열 교환이 없기 때문에 내부 에너지의 변화는 전적으로 시스템에서 수행된 작업에서 비롯됩니다. 2 단계와 유사한 방식으로 온도 변화를 시스템에서 수행한 작업과 연관시킬 수 있으며 실제로 표현은 정확히 동일합니다. 그러나 이번에는 온도의 변화가 양수이므로 내부 에너지의 변화도 다음 방정식에 의해 양수라는 것을 기억해야합니다. 이 시점에서 시스템은 초기 상태로 돌아왔으므로 초기 내부 에너지, 부피 및 압력입니다. 카르노 사이클은 압력 부피 다이어그램 또는 실제로 온도 대 엔트로피의 다이어그램에서 폐쇄 루프를 형성합니다. 카르노 효율성은 전체 카르노 주기에서 최종 상태와 초기 상태가 동일하기 때문에 내부 에너지의 총 변화는 0입니다. 4 단계 모두에서 수행한 작업을 추가하고 1 단계와 3 단계에서 작업이 전달된 열과 동일하다는 것을 알면 됩니다. 대략적인 카르노 사이클에 대해서 알아봤습니다.