Mühendislik Termodinamiği · 6. Ünite: Termodinamiğin İkinci Kanunu

Carnot Çevrimi ve Carnot İlkeleri

Carnot çevrimi, iki sıcaklık rezervuarı arasında çalışabilecek en verimli tersinir çevrimdir ve gerçek makineler için bir ölçüt oluşturur. Bu konuda çevrimin dört sürecini $P$–$v$ ve $T$–$s$ diyagramlarında inceler, ideal gaz için verimi türetir, Carnot ilkelerini çelişki yöntemiyle ispatlar ve ısı oranlarına dayanan termodinamik (mutlak) sıcaklık ölçeğini kurarsınız. Sonunda herhangi bir ısı makinesinin, soğutucunun ya da ısı pompasının başarımını Carnot sınırıyla karşılaştırabileceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. En İyi Makine Nasıl Bir Makinedir? Carnot'nun Sorusu

  2. Carnot Çevrimi: Dört Süreç ve Diyagramlar

  3. İdeal Gaz ile Türetme

  4. Carnot İlkeleri ve Çelişki Yöntemiyle İspat

  5. Termodinamik (Mutlak) Sıcaklık Ölçeği

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Grafik ve Tablo Yorumu: Simülasyonda Deneyin

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Carnot çevrimi (Carnot cycle)
İki izotermal ve iki izentropik tersinir süreçten oluşan, iki ısı deposu arasında çalışan en verimli tersinir çevrim.
Carnot verimi
$\eta_{Carnot} = 1 - T_L/T_H$; yalnızca iki rezervuar sıcaklığına (Kelvin) bağlıdır.
İzentropik süreç (isentropic process)
Tersinir ve adyabatik süreç; entropi sabittir, $T$–$s$ diyagramında dikey çizgidir.
Carnot ilkeleri
(1) Tersinmez makinenin verimi tersinir makineden küçüktür; (2) aynı rezervuarlar arasındaki tüm tersinir makinelerin verimi eşittir.
Ters Carnot çevrimi
Carnot çevriminin ters yönde çalıştırılmasıyla elde edilen en verimli soğutucu ve ısı pompası modeli.
Termodinamik sıcaklık ölçeği
$Q_H/Q_L = T_H/T_L$ ile tanımlanan, çalışma akışkanından bağımsız mutlak sıcaklık ölçeği.
Üçlü nokta (triple point)
Suyun katı, sıvı ve buhar fazlarının dengede olduğu hal; mutlak ölçekte $273{,}16\,\text{K}$.
İkinci yasa verimi
Gerçek verimin aynı sıcaklıklardaki Carnot verimine oranı; 1'i aşamaz.
Mutlak sıfır
Tersinir makinede $Q_L \to 0$ sınırına karşılık gelen $0\,\text{K}$ sıcaklığı; sonlu adımda ulaşılamaz.

Örnek soru

Carnot çevrimini oluşturan dört tersinir süreç, çevrim sırasıyla hangisidir?

  1. İzobarik ısı ekleme, adyabatik genleşme, izobarik ısı atma, adyabatik sıkıştırma
  2. İzotermal genleşme, adyabatik genleşme, izotermal sıkıştırma, adyabatik sıkıştırma
  3. İzokorik ısı ekleme, adyabatik genleşme, izokorik ısı atma, adyabatik sıkıştırma
  4. İzotermal genleşme, izokorik soğutma, izotermal sıkıştırma, izokorik ısıtma
  5. Adyabatik genleşme, izotermal genleşme, adyabatik sıkıştırma, izotermal sıkıştırma

Doğru cevap: B

Çözüm

1. Carnot çevriminde ısı alışverişi yalnızca izotermal süreçlerde olur ($T_H$'de ısı alınır, $T_L$'de atılır); aksi halde sonlu sıcaklık farkı tersinmezlik doğururdu.
2. İzotermal süreçleri bağlayan süreçler tersinir adyabatik (izentropik) olmalıdır; böylece akışkan $T_H$'den $T_L$'ye ve geri ısı alışverişi olmadan geçer.
3. Seçeneklerdeki diğer dizilimler sırasıyla Brayton (izobarik), Otto (izokorik) ve Stirling (izokorik rejenerasyon) çevrimlerine aittir; sıra bozuk E seçeneği ise çevrim sürekliliğini sağlamaz.
Sonuç: B.

Mühendislik Termodinamiği: tüm konular