Carnotův cyklus

Tepelné motory, jako například parní stroj, benzinový či dieselový motor nebo parní turbína, přeměňují teplo na mechanickou energii. Všechny jsou založeny na kruhovém ději, při kterém plyn stále znovu a znovu prochází stejnými stavy. Významným cyklickým dějem pro teorii tepelných motorů je tzv. Carnotův cyklus, který navrhl a studoval Nicolas Léonard Sadi Carnot v roce 1824. Jedná se o idealizovaný děj, pro který lze poměrně snadno vypočítat účinnost.

Ideální plyn (zde znázorněný zeleně) prochází postupně následujícími dílčími procesy:

• Izotermická expanze: Plyn je v kontaktu s ohřívačem (není zobrazen) a rozpíná se při konstantní teplotě. Teplo se přenáší z ohřívače na plyn; plyn uvolňuje stejné množství energie do okolí ve formě práce. Vnitřní energie plynu zůstává během této změny stavu konstantní.
• Adiabatická expanze: Plyn je nyní odizolován od ohřívače. Nadále se rozpíná, a proto pokračuje v konání práce na okolí. Protože však již není přiváděno žádné teplo, teplota a vnitřní energie při této změně klesají.
• Izotermická komprese: Plyn je nyní v kontaktu s chladičem (není zobrazen). Je stlačován při konstantní teplotě. Zvenčí je na plyn konána práce; plyn uvolňuje stejné množství energie (ve formě tepla) do chladiče. Vnitřní energie plynu zůstává konstantní.
• Adiabatická komprese: Plyn je nyní odizolován od chladiče, ale nadále je stlačován. Práce je na plyn konána zvenčí. Protože se však již neuvolňuje žádné teplo do okolí, teplota a vnitřní energie se během tohoto dílčího procesu zvyšují.

Tato aplikace volitelně zobrazuje následující: celé experimentální uspořádání a dva malé diagramy, velký p-V diagram (vztah mezi tlakem a objemem) nebo velký S-T diagram (vztah mezi entropií a teplotou). Do vstupních polí lze zadat následující veličiny:

• Látkové množství: Látkové množství je mírou počtu částic (většinou molekul, v případě vzácných plynů atomů) a udává se v molech. Jeden mol odpovídá přibližně 6 · 10²³ částicím. Zde jsou povoleny hodnoty od 0,1 molu do 1 molu..
• Poissonova konstanta: Toto číslo závisí na počtu stupňů volnosti částic plynu. Velmi zjednodušeně je to 5/3 ≈ 1,67, pro vzácné plyny (jednoatomové plyny), 7/5 = 1,4 pro dvouatomové plyny a 8/6 ≈ 1,33 pro tříatomové a víceatomové plyny. Zde je možné zadat hodnoty od 1,3 do 1,7.
• Nejnižší a nejvyšší termodynamická teplota: Zadejte absolutní teplotu v kelvinech. Povoleny jsou hodnoty od 100 K (odpovídá −173°C) do 1000 K (odpovídá 727°C).
• Nejmenší a největší objem: Přípustné jsou hodnoty od 1 dm³ do 10 dm³.

Někdy musí program zadané hodnoty změnit. Nejnižší a nejvyšší tlak se vypočítává pomocí stavové rovnice pro plyny a hodnoty se vypisují v jednotce kPa (kilopascal).

Účinnost Carnotova cyklu:

η  .... účinnost
T_CH  ... termodynamická teplota chladiče
T_O  ... termodynamická teplota ohřívače

Účinnost reálného tepelného stroje je vždy nižší než účinnost odpovídajícího Carnotova motoru.