Bu yazımda carnot çevrimi hakkında bilgiler vereceğim. Termodinamiğin ikinci ilkesini en iyi şekilde uygulayabilmek için sayısız teknoloji yaratılmıştır.
Hiçbir motordan carnot veriminden daha iyi bir verim beklenemez. Bununla birlikte bu temel sınırlara yaklaşabilir.
Bir motorun çalışmasını modelle anlatmak için çevrimin her evresi, özel bir termodinamik dönüşümle tanımlanabilir. Yani değişmez basınçta, değişmez hacimde, değişmez sıcaklıkta (eşsıcaklık) yada değişmez entropide (adiyabatik, yani hiç ısı değişimi olmaksızın) dönüşüm söz konusu olabilir.
Carnot Çevrimi
Carnot dönüşümlerinde iki eşsıcaklık ve iki adiyabatik dönüşümü yer alır (genleşme ve sıkışma evreleri). Bizim yakından tanıdığımız dört zamanlı benzin motorlarının çevrimi bir adiyatik (genleşme), bir geğişmez hacimde (gaz çıkışı), bir diğer adiyatik (sıkıştırma) ve hava benzin karışımının yanmasıyla ansızın oluştuğu kabul edilirse, bir başka hacimde değişmez hacimde dönüşümden oluşur. Sıkıştırma sonunda erişilen basınç dizel çevriminden elde edilen basınçtan daha düşüktür. Bu tür motorda karışımın molekülleri çok yüksek bir kinetik enerjiye ulaşır ve bir bujinin kıvılcımına ihtiyaç duymadan karışım tutuşur. Bütün bunlar değişmez basınçta bir yanma evresi, sonra adiyabatik bir genleşme, değişmez hacimde gaz çıkışı (egzoz) ve adiyabatik bir sıkıştırma evrelerinden geçer. Bir ramjetin çalışması durmadan yenilenen bir hava basıncı gerektirse bile bir silindir içinde hapsolmuş bir karışım kütlesi yerine iki adiyabatik dönüşümle değişmez basınçta iki aşamadan oluşur.
Bütün bu motorlar önemli ve hala kullanılabilir bir enerjiyi egzostan dışarı atar. Mesela, egzos gazları girişte gaz karışımını emen ve sıkıştıran bir türbini çalıştırabilir; böylece güç ve verimde iyileşmeler görülür turbomotorların ilkesi bu olaya dayanmaktadır.
Carnot Verimi
Bir motorun verimi sağladığı iş W‘nin, bu işi sağlamak üzere olduğu ısı miktarı Q’ye oranıdır ve η=W/Q eşitliği ile gösterilir.
Carnot çevrimi durumunda termodinamiğin birinci ilkesinde iş ile ısı miktarlarının toplamının sıfır belirtilir ve şu şekilde gösterilir: W+Q1+Q2= 0. Bu eşitlik motora giren enerjiler (Q1) pozitif, motordan çıkan enerjiler (W ve Q2) negatif olarak alınmıştır. Bu durumda verim aşağıdaki formülle verilir.
η=(Q1-|Q2|)/Q1 veya 1-(|Q1|/Q2)
Bu çevirimin bütün dönüşümleri tersinir olduğundan sıcak kaynaktan alınan entropi (Q/T) ile soğuk kaynağa atılan entropi (|Q1|/T1) aynı değerdedir. Böylece verim kaynakların mutlak sıcaklıkları türünden de açıklanabilir ve şu eşitlik elde edilir: η=1-(T1/T2).
Sıcak kaynağın sıcaklığı T ne kadar yüksekse (benzinli motorda karışımın yanması sırasında bu sıcaklık 3000K’i bulur) ve soğuk kaynağın sıcaklığı T1 düştüğü ölçüde verim yükselir. Sınır durumda T1 sıfıra yaklaşırsa verim 1’e doğru yükselir; yani motor kesintisiz bir hareketle çalışır. bu olay mutlak sıfırın erişilmez olduğunu ortaya koyan termodinamiğin üçüncü ilkesinde dışlanır.
Daha basit olarak, bir motorun verimini yükseltmek için motoru yağlayarak sürtünmeden kaynaklanan mekanik kayıpları ve soğutularak ısıl kayıplar düşürülür. Ama getirilen iyileştirmeler ne olursa olsun (elde edilen yeni alaşımların veya seramikten karma malzemelerin kullanılması) bir motor içindeki termodinamik dönüşümler yine de hızla ve şiddetle gerçekleşir; oysa, Carnot’nun ideal motorunda dönüşümler yavaş oluşur ve tersinir niteliktedir. Uygulamada, bir ısıl motorun verimi 1-(T1/T2) formülünden belirtilen en azından iki kez daha düşüktür.
Isı Pompaları ve Soğutma Sistemleri
Bir ısıtma sistemi ve bir soğutucu aynı termodinamik çevrimi kullanır ama burada bir motorun çevriminin tam tersi uygulanır.
Bir ısıl motor bir soğutucu termodinamik bakımdan benzerdir. İlki, bir sıcak kaynağın ısısını soğuk kaynağa aktararak iş sağlar; ikincisiyse bir soğuk kaynağın ısısını sıcak kaynağa aktarırken iş tüketir. Enerji alışverişinin yönü basitçe tersine dönmüştür.
Bir soğutucunun etkinliği, bu durumda kendi içinden, yani soğuk kaynaktan aldığı ısı miktarı Q1 e bağlıdır. Buna karşılık bir ısı pompasının etkinliği, ısıtılacak evin içinde verilen ısı miktarı Q ile gösterilir. Her iki durumda da Q1/W veya Q/W oranı 1 den büyüktür ve yaygın olarak 3 veya 4 düzeyindedir. Gerçekten bir verim söz konusu olmadığından “performans (etkinlik) katsayısı” terimin kullanılması daha yerindedir.
Bir evi ısıtmak için “soylu” bir enerjinin ( kömür, benzin, yağ, gaz, veya elektrikten elde edilen) kullanımı hiçbir zorluk çıkartmaz gibi görünür. Bununla birlikte aynı sonuç, bir miktar soylu enerji kullanılarak (pompayı çalıştıran enerji) atmosferin, dışarıdaki bir su kütlesinin veya toprağın “bozulmuş enerjisinden” (çünkü düşük sıcaklıkta depolanır) çekilerek elde edilebilir. Bu; termodinamik ve maliyet açısından daha dikkatli davranan ısı pompasının ilkesidir.
Bununla birlikte, motorlarda olduğu gibi soğutucular ve ısı pompaları da termodinamiğin rastlantılarına açıktır. Motorun bir miktar enerji harcaması gibi, bir soğutucu da içinde bulunduğu odayı ısıtır ve ısı pompası enerjisinin aldığı ortamı soğutur.
Termodinamiğin önüne geçilmez sloganının “hiçbir sistem mükemmel değildir” olması gerekir.