カルノー機械は熱が仕事をするために使用される理想的な周期的モデルです。システムは、ガスを圧縮するシリンダー内を移動するピストンとして理解できます。行使されたサイクルは、熱力学の父であるフランスの物理学者でありエンジニアであるニコラ・レオナール・サディ・カルノーによって発声されたカルノーのサイクルです。
カルノーはこのサイクルを19世紀初頭に発表しました。マシンは4つの状態変化にさらされ、温度や一定圧力などの条件が交互に変化します。ガスの圧縮と膨張の際に、体積の変化が見られます。
ニコラ・レオナルド・サディ・カルノー
フォーミュラ
カルノーによれば、理想的な機械に温度と圧力の変動を与えることで、得られる性能を最大化することが可能です。
カルノーサイクルは、等温膨張、断熱膨張、等温圧縮、断熱圧縮の4つのフェーズのそれぞれで個別に分析する必要があります。
カルノーマシンで実行されるサイクルの各フェーズに関連する式を以下に詳しく説明します。
等温膨張（A→B）
このフェーズの前提は次のとおりです。
-ガス量：最小量から中量になります。
-機械温度：一定温度T1、高い値（T1> T2）。
-機械圧力：P1からP2に低下します。
等温プロセスは、温度T1がこの段階で変化しないことを意味します。熱の移動はガスの膨張を誘発し、それがピストンに動きを誘発し、機械的仕事を生み出します。
ガスが膨張するにつれて、ガスは冷える傾向があります。ただし、温度源から放出される熱を吸収し、膨張中も一定の温度を維持します。
このプロセスの間、温度は一定に保たれるため、ガスの内部エネルギーは変化せず、ガスによって吸収されたすべての熱が効果的に仕事に変換されます。そう：
サイクルのこのフェーズの最後に、理想的なガス方程式を使用して圧力値を取得することもできます。したがって、次のようになります。
この表現では：
P 2：フェーズ終了時の圧力。
V b：ポイントbのボリューム。
n：ガスのモル数。
A：理想気体の普遍定数。R = 0.082（atm *リットル）/（モル* K）。
T1：絶対初期温度、ケルビン度。
断熱膨張（B→C）
プロセスのこの段階では、熱を交換する必要なくガスの膨張が行われます。したがって、前提は以下のとおりです。
-ガス量：平均量から最大量になります。
-マシンの温度：T1からT2に低下します。
-機械圧力：一定圧力P2。
断熱プロセスは、圧力P2がこの段階で変化しないことを意味します。温度が下がり、ガスは最大量に達するまで膨張し続けます。つまり、ピストンがストップに到達します。
この場合、行われる仕事はガスの内部エネルギーから生じ、このプロセス中にエネルギーが減少するため、その値は負になります。
それが理想的なガスであると仮定すると、理論は、ガス分子は運動エネルギーだけを持っていると考えています。熱力学の原理によれば、これは次の式で推定できます。
この式では：
∆U b→c：b点とc点の間の理想気体の内部エネルギーの変化。
n：ガスのモル数。
Cv：ガスのモル熱容量。
T1：絶対初期温度、ケルビン度。
T2：絶対最終温度、ケルビン度。
等温圧縮（C→D）
この段階で、ガスの圧縮が始まります。つまり、ピストンがシリンダーに移動し、ガスがその体積を収縮させます。
プロセスのこのフェーズに固有の条件について、以下で詳しく説明します。
-ガス量：最大量から中間量になります。
-機械温度：一定温度T2、減少した値（T2 <T1）。
-機械圧力：P2からP1に増加します。
ここでガスへの圧力が増加するため、ガスが圧縮され始めます。ただし、温度は一定であるため、ガスの内部エネルギーの変化はゼロです。
等温膨張と同様に、行われる仕事はシステムの熱に等しくなります。そう：
理想気体方程式を使用して、この時点での圧力を見つけることも可能です。
断熱圧縮（D→A）
これは、システムが初期状態に戻るプロセスの最後のフェーズです。このため、以下の条件が考慮されます。
-ガスの体積：中間体積から最小体積になります。
-マシンの温度：T2からT1に上昇します。
-機械圧力：一定圧力P1。
前のフェーズでシステムに組み込まれた熱源が取り除かれるので、理想的なガスは、圧力が一定である限りその温度を上げます。
ガスは温度（T1）とその体積（最小）の初期条件に戻ります。ここでも、行われる作業はガスの内部エネルギーから行われるため、次のことを行う必要があります。
断熱膨張の場合と同様に、次の数式を使用してガスエネルギーの変動を取得できます。
Carnotマシンはどのように機能しますか？
カルノーのエンジンは、理想的なガスの膨張段階と圧縮段階を交互に行い、等温プロセスと断熱プロセスを変化させることにより、パフォーマンスが最大化されるエンジンとして機能します。
このメカニズムは、2つの温度源が存在することを前提として、熱の変化に曝される仕事を実行する理想的なデバイスとして理解できます。
最初の焦点では、システムは温度T1にさらされます。システムにストレスを与え、ガスを膨張させるのは高温です。
次に、これは、ピストンをシリンダーの外に移動させることを可能にする機械的作業の実行に変換され、その停止は断熱膨張によってのみ可能です。
次に、システムがT1よりも低い温度T2にさらされる2番目の焦点になります。つまり、メカニズムは冷却されます。
これにより、熱の抽出とガスの破砕が誘発され、断熱圧縮後に初期体積に達します。
用途
カルノー機械は、熱力学の最も重要な側面の理解への貢献により、広く使用されています。
このモデルにより、温度と圧力の変化の影響を受ける理想的なガスの変動を明確に理解できるため、実際のエンジンを設計する際の参照方法になります。
参考文献
- カルノー熱機関サイクルと第二法則（sf）。から回復：nptel.ac.in
- カステッラーノ、G（2018）。カルノー機。から回復：famaf.unc.edu.ar
- カルノーサイクル（sf）。ハバナキューバ。リカバリー元：ecured.cu
- カルノーサイクル（nd）。回収元：sc.ehu.es
- ファウラー、M。（nd）。熱機関：カルノーサイクル。回収元：galileo.phys.virginia.edu
- ウィキペディア、無料百科事典（2016）。カルノー機。回復元：es.wikipedia.org