카르노사이클에 대해 설명해보세요.

[카르노사이클 (Carnot cycle)]

열기관의 최고 열효율을 알기위해 N.L.S.카르노가 발표한 열역학상의 가역 사이클을 말하며 카르노순환이라고도 한다. 실제 기관에서는 마찰이나 열전도때문에 이 사이클은 성립하지 않지만 실제 기관과 비교하여 개량할 여지가 있는가를 조사하기 위해서 중요한 의미를 갖는다.

카르노는 ［그림］과 같은 2개의등온변화와 2개의단열변화를 가상하고, 기체를 등온팽창 →단열팽창→ 등온압축 →단열압축의 순서로 변화시켜 처음의 상태로 복귀시키는 열역학 사이클을 발표하였다. 그 결과사이클의열효율은 기체 종류와는 관계없이 1 - \cfrac{T_2}{ T_1} 이 된다는 것이 밝혀졌다. 즉 고열원의 온도 T_1(등온팽창할 때의절대온도)이 높을수록, 저열원의 온도 T_2(등온압축할 때의 절대온도)가 낮을수록 열효율이 커진다는 사실을 밝혀냈다.

그러나 실제 기관에서는 마찰이나열전도때문에 완전하게 단열변화나 등온변화를 실현시킬 수 없으므로 이 사이클은 성립하지 않지만, 실제 기관이 이상적인 사이클과 비교하여 어느 정도의 열효율을 갖는지, 얼마만큼 개량할 여지가 있는가를 조사하기 위해서 중요한 의미를 갖는다.

위 그림은 카르노 사이클 Pv 선도를Ts 선도로 바꾸어 표현한 그래프이다. D-A는 단열 압축 과정, A-B는 등온 팽창 과정, B-C는 단열 팽창 과정, C-D는 등온 압축 과정이다. 단열과정일 때 엔트로피가 변화지 않는 것을 관찰 할 수 있으며 박스 안의 면적은 총 일의 양을 나타낸다.

참고) 랭킨 사이클

2개의 단열과정과 2개의 등압과정으로 구성되는 사이클 중, 작동유체가 증기와 액체의 상변화를 수반하는 것. 증기사이클, 베이퍼 사이클이라고도 한다. 내연기관이나 가스터빈같이 작동유체가 사이클 중 항상 가스 상태인 것은 가스 사이클이라고 하여 이것과 구별하고 있다. 증기 발전소에서는 급수펌프(단열압축),보일러및과열기(등압가열), 터빈(단열팽창) 및복수기(등압방열)의 각 요소에 의해 랭킨사이클이 실현되고 있다. 또한 열효율의 향상 등을 위해 재생사이클이나 재열사이클로 하는 경우가 많다.