카르노 사이클의 개념은 무엇인가요?
안녕하세요. 기계공학 용어 중에 카르노 사이클 열기관에 대해서 개념은 무엇이고 카르노 열기관에 대해서 작동 원리는 어떻게 되나요?
안녕하세요. 안다람 전문가입니다.
카르노 싸이클에 대해 말씀드리겠습니다
카르노 사이클은 최대 효율의 이론적 열기관으로 두 등온과 두단열 과정으로 구성 됩니다
카르노 사이클은 가역 과정으로 이루어져 있고
이론적으로 가능한 최대 효율을 가집니다
실제 열기관은 카르노 사이클보다 효율이 낮습니다
안녕하세요. 서종현 전문가입니다.
카르노 사이클은 이상적인 열기관의 작동 과정을 설명하는 열역학적 사이클입니다. 이 사이클은 두개의 열원(고온원과 저온원)사이에서 열을 흡수하고 방출하여 일을 수행하는 원리를 기반으로 합니다. 카르노 사이클은 가장 높은 열효율을 가지며,실제 열기관의 성능 비교 기준으로 사용됩니다.
[카르노 열기관의 작동원리]
카르노 사이클은 다음 네가지 단계로 구성됩니다.
등온 팽창 : 고온원과 접촉하여 일정 온도에서 열을 흡수하여 기체가 팽창합니다. 이 과정에서 기체는 일을 수행합니다.
단열 팽창 : 고온원과의 접촉이 끊기고 기체가 단열 상태에서 팽창합니다. 이때 온도는 낮아지지만 외부에 열을 방출하지 않습니다.
등온 압축 : 저온원과 접촉하여 일정 온도에서 기체가 압축됩니다. 이 과정에서 기체는 열을 저온원으로 방출합니다.
단열 압축 : 저온원과의 접촉이 끊기고 기체가 다시 단열 상태에서 압축됩니다.이때 온도가 상승하지만 외부에 열을 흡수하지 않습니다.
이러한 과정을 반복하여 카르노 열기관은 열에너지를 기계적 에너지로 변환합니다. 이론적으로 카르노 사이클은 100%효율을 달성할수없지만 이상적인 열기관의 효율을 이해하는데 중요한 기준이 됩니다.
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
카르노 사이클은 19세기 경 프랑스의 물리학자 카르노에 의해 고안된
가역 이상 열기관 사이클입니다.
여기서 가역 이상이라는 말은 실제로 실현 가능한 열기관 사이클은
오토 사이클(Otto cycle)과 같이 정적가열→단열팽창으로 진행되거나
디젤 사이클(Diesel cycle)과 같이 정압가열 →단열팽창으로 진행되는 것이 아니라,
등온팽창에서 단열 팽창으로 넘어가기 때문에 실현 불가능하므로 붙여진 단어인데요.
카르노 기관과 카르노 사이클에 대해 열거해 보겠습니다.
1, 카르노 기관(Carnot engine)
카르노 기관은 *이상 기체를 작동 유체로 사용하는 가상의 열 기관을 말합니다.
실제로 실현이 불가능한 기관이며 열 손실이 없기 때문에 존재하는 열 기관 중 가장 높은 효율을 가집니다.
*이상 기체(ideal gas) :
이상기체법칙을 따르는 기체로 ,
구성분자들이 모두 동일하며 분자의 부피가 0이고, 분자간 상호작용이 없는 가상적인 기체
2, 카르노 사이클(Carnot cycle)
카르노 사이클의 과정
피스톤-실린더를 열을 100% 전달하는 재료로 된 실린더 헤드를 가지는 열 기관이라고 가정할 때,
열기관 내부에는 일정한 질량의 이상기체가 들어 있습니다.
이러한 상황에서 카르노 사이클은 다음과 같은 과정을 말합니다.
*등온 팽창 과정: Isothermal expansion (가역 등온 팽창 과정)
고열원 TH을 실린더에 접촉시켜 피스톤에 있는 기체는 열량 Qin을 받으면서 팽창하게 됩니다.
이때, 고열원 TH는 무한한 열량을 가진다고 가정하여 아무리 열을 빼았겨도 온도 TH는 변하지 않는다고 가정합니다.
*단열 팽창 과정: Adiabatic expansion (가역 단열 팽창 과정)
단열은 주위로부터 받는 열량이 0이라는 말입니다.
고열원 TH를 제거하여서 열량의 공급을 더 이상 없지만, 등온 팽창 과정에서 열을 받아 이미 고온 상태가 된 기체가 팽창하는 과정입니다.
*등온 압축 과정: Isothermal compression (가역 등온 압축 과정)
저열원 TL을 실린더에 접촉시켜 상대적으로 고온 상태인 피스톤 안 기체는 열을 빼았기며 압축되게 되고,
방출하는 열량을 Qout이라고 합니다. 저열원 TL은 TH와 마찬가지로 무한한 열량을 가진다고 가정하여 아무리 열을 흡수해도 온도TL은 변하지 않는다고 가정합니다.
*단열 압축 과정: Adiabatic compression (가역 단열 압축 과정)
저열원 TL을 제거하여서 방출되는 열량은 더 이상 없기 때문에 단열 상태이지만 피스톤 내의 기체가 자체적으로 압축되는 과정을 말합니다.
이 처럼 카르노 기관은
열역학 제2법칙을 바탕으로 한 이상적 열기관 모델로
4단계 순환과정은 열역학 제2법칙을 만족하면서도, 열기관의 효율을 극대화 할 수 있는 방식으로 구성되어있습니다.
등온팽창과 압축 단계에서는 열이 자발적으로 저온에서 고온으로 이동하지 않도록 하고,
단열팽창과 압축 단계에서는 외부와의 열 교환이 없도록 함으로써
열역학 제 2법칙을 충족시키고, 이를 통해 열기관의 최대 효율을 도출할 수 있습니다.
카르노 사이클은 이상적인 열기관의 작동 원리를 설명하는 이론적인 사이클로 열역학 제2법칙을 기반으로 합니다. 이 사이클은 네 개의 단계로 구성되어 있는데 두 개의 등온 과정과 두 개의 단열 과정으로 이루어집니다. 첫 번째 단계에서는 열원에서 열을 흡수하면서 기체가 팽창하고 일을 하며 두 번째 단계에서는 기체가 외부와 열 교환 없이 계속 팽창하면서 온도가 떨어집니다. 세 번째 단계에서는 기체가 열을 방출하면서 외부에서 압축되고 다시 일을 수행하게 되고 마지막으로 기체가 외부와 열 교환 없이 압축되면서 온도가 상승합니다.