Содержимое курса
Additional and Extra materials
Here you can find different useful links, books and worksheets
0/6
General physics
🎯 Learning Objectives
  • Describe the four stages of the Carnot cycle: isothermal expansion, adiabatic expansion, isothermal compression, and adiabatic compression.
  • Sketch and interpret the Carnot cycle on a P-V diagram.
  • Understand the significance of the Carnot cycle as an ideal reversible cycle.
  • State the expression for the efficiency of a Carnot engine and understand its dependence on reservoir temperatures.
🗣️ Language Objectives
  • Define Carnot cycle, isothermal process, adiabatic process, reversible process, and engine efficiency using precise scientific terminology.
  • Explain each stage of the Carnot cycle, detailing changes in heat, work, and internal energy.
  • Discuss the theoretical importance of the Carnot cycle in thermodynamics.
🔑 Key Terms / Негізгі терминдер / Ключевые термины
English TermРусский переводҚазақша аудармасы
Carnot CycleЦикл КарноКарно циклі
Heat EngineТепловой двигательЖылу қозғалтқышы
Isothermal ProcessИзотермический процессИзотермиялық процесс
Adiabatic ProcessАдиабатический процессАдиабаталық процесс
Reversible ProcessОбратимый процессҚайтымды процесс
Irreversible ProcessНеобратимый процессҚайтымсыз процесс
Efficiency (η)Коэффициент полезного действия (КПД, η)Пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК, η)
Hot Reservoir (Source)Горячий резервуар (Источник)Ыстық резервуар (Қыздырғыш)
Cold Reservoir (Sink)Холодный резервуар (Холодильник)Суық резервуар (Суытқыш)
Temperature (TH, TC)Температура (TH, TC)Температура (TH, TC)
Heat (QH, QC)Теплота (QH, QC)Жылу мөлшері (QH, QC)
Work Done (W)Совершенная работа (W)Атқарылған жұмыс (W)
P-V DiagramP-V диаграмма (Диаграмма давление-объем)P-V диаграммасы (Қысым-көлем диаграммасы)
🃏 Flashcards for Practice

Review the key terms using flashcards. You can find relevant sets on Quizlet or create your own:

Search for «Carnot Cycle Thermodynamics» flashcards on Quizlet

Focus on understanding the definition and application of each term.

📖 Glossary / Глоссарий
Carnot Cycle
A theoretical thermodynamic cycle proposed by Nicolas Léonard Sadi Carnot. It is the most efficient cycle possible for converting a given amount of thermal energy into work, or conversely, for creating a temperature difference by doing a given amount of work. It consists of two isothermal processes and two adiabatic processes.
Translation (Қазақша)
Николя Леонар Сади Карно ұсынған теориялық термодинамикалық цикл. Бұл берілген жылу энергиясының мөлшерін жұмысқа айналдыру үшін немесе, керісінше, берілген жұмыс мөлшерін атқару арқылы температура айырмасын жасау үшін мүмкін болатын ең тиімді цикл. Ол екі изотермиялық процесс пен екі адиабаталық процесстен тұрады.
Isothermal Process
A thermodynamic process in which the temperature of the system remains constant (∆T = 0). For an ideal gas, this means the internal energy also remains constant (∆U = 0). Heat must be transferred slowly to maintain constant temperature.
Translation (Қазақша)
Жүйенің температурасы тұрақты болып қалатын термодинамикалық процесс (∆T = 0). Идеал газ үшін бұл ішкі энергияның да тұрақты болып қалатынын білдіреді (∆U = 0). Тұрақты температураны сақтау үшін жылу баяу тасымалдануы керек.
Adiabatic Process
A thermodynamic process in which no heat is transferred into or out of the system (Q = 0). This usually occurs if the process is very rapid or the system is well-insulated. Temperature, pressure, and volume all change in an adiabatic process.
Translation (Қазақша)
Жүйеге жылу берілмейтін немесе жүйеден жылу шығарылмайтын термодинамикалық процесс (Q = 0). Бұл әдетте процесс өте жылдам болса немесе жүйе жақсы оқшауланған болса орын алады. Адиабаталық процесте температура, қысым және көлем өзгереді.
Reversible Process (in Thermodynamics)
A process that can be reversed by an infinitesimal change in some property of the system, returning both the system and its surroundings to their original states without any change in the universe. Idealized processes like the Carnot cycle are reversible.
Translation (Қазақша)
Жүйенің қандай да бір қасиетінің шексіз аз өзгеруі арқылы кері айналдыруға болатын процесс, бұл кезде жүйе де, оның қоршаған ортасы да әлемде ешқандай өзгеріссіз бастапқы күйлеріне оралады. Карно циклі сияқты идеалдандырылған процестер қайтымды болып табылады.
Efficiency (η) of a Heat Engine
The ratio of the useful work done by the engine to the heat energy supplied to it from the hot reservoir. η = W / QH. For a Carnot engine, ηCarnot = 1 — (TC / TH), where TC and TH are the absolute temperatures of the cold and hot reservoirs, respectively.
Translation (Қазақша)
Қозғалтқыштың атқарған пайдалы жұмысының оған ыстық резервуардан берілген жылу энергиясына қатынасы. η = W / QH. Карно қозғалтқышы үшін, ηКарно = 1 — (TC / TH), мұндағы TC және TH – сәйкесінше суық және ыстық резервуарлардың абсолюттік температуралары.
🔬 Theory: The Carnot Cycle / Теория: Карно циклі

The Carnot cycle is a theoretical, ideal thermodynamic cycle conceived by French physicist Sadi Carnot in 1824. It describes the most efficient possible way for a heat engine to convert heat into work between two temperature reservoirs. The cycle is reversible and consists of four distinct stages, using an ideal gas as the working substance:

The Four Stages of the Carnot Cycle:

Imagine an ideal gas enclosed in a cylinder with a frictionless piston.

  1. Stage 1: Isothermal Expansion (A → B)

    • The gas is in thermal contact with a hot reservoir at a constant high temperature, TH.
    • The gas expands slowly, doing work on the surroundings (WAB > 0).
    • To keep the temperature constant during expansion, heat QH is absorbed from the hot reservoir.
    • For an ideal gas, since temperature is constant, the internal energy (U) remains constant (ΔU = 0).
    • From the First Law of Thermodynamics (ΔU = Q — W), we have 0 = QH — WAB, so QH = WAB.
  2. Stage 2: Adiabatic Expansion (B → C)

    • The gas is now thermally insulated from both reservoirs.
    • The gas continues to expand, doing work on the surroundings (WBC > 0).
    • Since the process is adiabatic, no heat is exchanged with the surroundings (Q = 0).
    • As the gas expands and does work, its internal energy decreases (ΔU = -WBC), causing its temperature to drop from TH to a lower temperature, TC.
  3. Stage 3: Isothermal Compression (C → D)

    • The gas is placed in thermal contact with a cold reservoir at a constant low temperature, TC.
    • The gas is compressed slowly by an external force, so work is done on the gas (WCD < 0, if W is work done *by* gas; work done *on* gas is positive).
    • To keep the temperature constant during compression, heat QC is rejected from the gas to the cold reservoir.
    • For an ideal gas, since temperature is constant, the internal energy (U) remains constant (ΔU = 0).
    • From the First Law (ΔU = Q — W), 0 = -QC — WCD (using QC as heat rejected, so Q = -QC for the system), so WCD = -QC. (Work done *by* gas is WCD, which is negative).
  4. Stage 4: Adiabatic Compression (D → A)

    • The gas is again thermally insulated.
    • The gas is further compressed by an external force, so work is done on the gas (WDA < 0, if W is work done *by* gas).
    • Since the process is adiabatic, no heat is exchanged (Q = 0).
    • As work is done on the gas, its internal energy increases (ΔU = -WDA), causing its temperature to rise from TC back to the initial temperature TH, completing the cycle.

P-V Diagram for the Carnot Cycle:

The Carnot cycle can be represented on a Pressure-Volume (P-V) diagram:

[Изображение P-V диаграммы цикла Карно]

  • A → B: Isothermal expansion (curve, part of an isotherm TH)
  • B → C: Adiabatic expansion (steeper curve than isotherm, gas cools)
  • C → D: Isothermal compression (curve, part of an isotherm TC)
  • D → A: Adiabatic compression (steeper curve than isotherm, gas heats up)

The net work done by the engine in one cycle is represented by the area enclosed by the cycle on the P-V diagram. Wnet = WAB + WBC + WCD + WDA. This is also equal to QH — QC.

Significance and Efficiency of the Carnot Cycle:

The Carnot cycle is theoretically important because:

  • It is a reversible cycle. All stages are performed infinitely slowly (quasi-statically) without friction or other dissipative effects.
  • Carnot’s Theorem: No heat engine operating between two given temperature reservoirs can be more efficient than a Carnot engine operating between the same two reservoirs. All reversible engines operating between the same two temperatures have the same efficiency (Carnot efficiency).

The thermal efficiency (η) of any heat engine is defined as:

η = (Net Work Done by Engine) / (Heat Input from Hot Reservoir) = W / QH

Since W = QH — QC (from energy conservation for a cycle, ΔUcycle = 0),

η = (QH — QC) / QH = 1 — (QC / QH)

For a Carnot cycle (and any reversible cycle operating between two temperatures), it can be shown using the thermodynamic temperature scale that QC / QH = TC / TH, where TC and TH are the absolute temperatures (in Kelvin) of the cold and hot reservoirs, respectively.

Thus, the efficiency of a Carnot engine is:

ηCarnot = 1 — (TC / TH)

This formula shows that the efficiency of a Carnot engine depends only on the temperatures of the hot and cold reservoirs. To achieve 100% efficiency (η = 1), TC would have to be 0 Kelvin (absolute zero), which is practically unattainable (Third Law of Thermodynamics). Higher TH and lower TC lead to higher efficiency.

Theory Translation (Қазақша)

Карно циклі – бұл 1824 жылы француз физигі Сади Карно ойлап тапқан теориялық, идеалды термодинамикалық цикл. Ол жылу қозғалтқышының екі температуралық резервуар арасында жылуды жұмысқа айналдыруының ең тиімді мүмкін жолын сипаттайды. Цикл қайтымды болып табылады және жұмысшы дене ретінде идеал газды қолдана отырып, төрт түрлі кезеңнен тұрады:

Карно циклінің төрт кезеңі:

Идеал газ үйкеліссіз поршені бар цилиндрге қамалған деп елестетіңіз.

  1. 1-кезең: Изотермиялық ұлғаю (A → B)

    • Газ тұрақты жоғары TH температурадағы ыстық резервуармен жылулық байланыста болады.
    • Газ баяу ұлғайып, қоршаған ортаға жұмыс атқарады (WAB > 0).
    • Ұлғаю кезінде температураны тұрақты ұстау үшін ыстық резервуардан QH жылу мөлшері алынады.
    • Идеал газ үшін температура тұрақты болғандықтан, ішкі энергия (U) да тұрақты болады (ΔU = 0).
    • Термодинамиканың Бірінші Заңынан (ΔU = Q — W), 0 = QH — WAB аламыз, сондықтан QH = WAB.
  2. 2-кезең: Адиабаталық ұлғаю (B → C)

    • Газ енді екі резервуардан да жылулық оқшауланған.
    • Газ ұлғаюын жалғастырып, қоршаған ортаға жұмыс атқарады (WBC > 0).
    • Процесс адиабаталық болғандықтан, қоршаған ортамен жылу алмасу болмайды (Q = 0).
    • Газ ұлғайып, жұмыс атқарғанда, оның ішкі энергиясы азаяды (ΔU = -WBC), бұл оның температурасының TH-тан төменгі TC температурасына дейін төмендеуіне әкеледі.
  3. 3-кезең: Изотермиялық сығылу (C → D)

    • Газ тұрақты төмен TC температурадағы суық резервуармен жылулық байланысқа түседі.
    • Газ сыртқы күшпен баяу сығылады, сондықтан газға жұмыс жасалады (WCD < 0, егер W – газдың атқарған жұмысы болса; газға жасалған жұмыс оң).
    • Сығылу кезінде температураны тұрақты ұстау үшін газдан суық резервуарға QC жылу мөлшері шығарылады.
    • Идеал газ үшін температура тұрақты болғандықтан, ішкі энергия (U) да тұрақты болады (ΔU = 0).
    • Бірінші Заңнан (ΔU = Q — W), 0 = -QC — WCD (QC шығарылған жылу ретінде, сондықтан жүйе үшін Q = -QC), сондықтан WCD = -QC. (Газдың атқарған жұмысы WCD, ол теріс).
  4. 4-кезең: Адиабаталық сығылу (D → A)

    • Газ қайтадан жылулық оқшауланған.
    • Газ сыртқы күшпен әрі қарай сығылады, сондықтан газға жұмыс жасалады (WDA < 0, егер W – газдың атқарған жұмысы болса).
    • Процесс адиабаталық болғандықтан, жылу алмасу болмайды (Q = 0).
    • Газға жұмыс жасалғанда, оның ішкі энергиясы артады (ΔU = -WDA), бұл оның температурасының TC-дан бастапқы TH температурасына дейін көтерілуіне әкеліп, циклді аяқтайды.

Карно циклінің P-V диаграммасы:

Карно циклін Қысым-Көлем (P-V) диаграммасында кескіндеуге болады:

[Изображение P-V диаграммы цикла Карно]

  • A → B: Изотермиялық ұлғаю (қисық, TH изотермасының бөлігі)
  • B → C: Адиабаталық ұлғаю (изотермадан тіктеу қисық, газ салқындайды)
  • C → D: Изотермиялық сығылу (қисық, TC изотермасының бөлігі)
  • D → A: Адиабаталық сығылу (изотермадан тіктеу қисық, газ қызады)

Бір циклде қозғалтқыштың атқарған таза жұмысы P-V диаграммасындағы циклмен қоршалған ауданмен көрсетіледі. Wтаза = WAB + WBC + WCD + WDA. Бұл сондай-ақ QH — QC-ға тең.

Карно циклінің маңыздылығы және тиімділігі:

Карно циклі теориялық тұрғыдан маңызды, себебі:

  • Бұл қайтымды цикл. Барлық кезеңдер үйкеліссіз немесе басқа диссипативті әсерлерсіз шексіз баяу (квазистатикалық) орындалады.
  • Карно теоремасы: Екі берілген температуралық резервуар арасында жұмыс істейтін ешбір жылу қозғалтқышы сол екі резервуар арасында жұмыс істейтін Карно қозғалтқышынан тиімдірек бола алмайды. Сол екі температура арасында жұмыс істейтін барлық қайтымды қозғалтқыштардың тиімділігі бірдей (Карно тиімділігі).

Кез келген жылу қозғалтқышының жылулық тиімділігі (η) былай анықталады:

η = (Қозғалтқыштың атқарған таза жұмысы) / (Ыстық резервуардан алынған жылу) = W / QH

W = QH — QC болғандықтан (цикл үшін энергияның сақталу заңынан, ΔUцикл = 0),

η = (QH — QC) / QH = 1 — (QC / QH)

Карно циклі үшін (және екі температура арасында жұмыс істейтін кез келген қайтымды цикл үшін) термодинамикалық температура шкаласын қолдана отырып, QC / QH = TC / TH екенін көрсетуге болады, мұндағы TC және TH – сәйкесінше суық және ыстық резервуарлардың абсолюттік температуралары (Кельвинмен).

Осылайша, Карно қозғалтқышының тиімділігі:

ηКарно = 1 — (TC / TH)

Бұл формула Карно қозғалтқышының тиімділігі тек ыстық және суық резервуарлардың температураларына байланысты екенін көрсетеді. 100% тиімділікке (η = 1) жету үшін TC 0 Кельвин (абсолюттік нөл) болуы керек еді, бұл іс жүзінде мүмкін емес (Термодинамиканың Үшінші Заңы). TH жоғарырақ және TC төменірек болса, тиімділік жоғарырақ болады.

Questions on Theory:

  1. Easy: Name the four processes that make up the Carnot cycle, in order.
    Answer
    1. Isothermal expansion. 2. Adiabatic expansion. 3. Isothermal compression. 4. Adiabatic compression.
  2. Medium: During which stages of the Carnot cycle is heat transferred to or from the gas? Specify the direction of heat transfer in each case.
    Answer
    Heat is transferred during the two isothermal stages:
    1. Isothermal Expansion (A → B): Heat QH is transferred to the gas from the hot reservoir.
    2. Isothermal Compression (C → D): Heat QC is transferred from the gas to the cold reservoir.
    No heat is transferred during the adiabatic stages.
  3. Medium: How is the net work done by a Carnot engine in one cycle represented on a P-V diagram?
    Answer
    The net work done by a Carnot engine in one cycle is represented by the area enclosed by the cycle (the loop A → B → C → D → A) on the P-V diagram.
  4. Hard (Critical Thinking): Why is it impossible for a real heat engine operating between a hot reservoir at TH and a cold reservoir at TC to be more efficient than a Carnot engine operating between the same two temperatures?
    Answer
    This is a consequence of Carnot’s theorem, which itself is derived from the Second Law of Thermodynamics.
    A Carnot engine is, by definition, a reversible engine. Any real engine will have irreversible processes (e.g., friction, heat loss through imperfect insulation, non-quasi-static expansion/compression). These irreversible processes always lead to a loss of ability to do useful work or require more work to achieve the same result in a reversed cycle (like a refrigerator).
    If a real engine were more efficient than a Carnot engine, one could theoretically combine this hypothetical «super-efficient» engine with a Carnot refrigerator (Carnot cycle run in reverse) operating between the same two reservoirs. The super-efficient engine would produce more work from a given amount of heat QH than a Carnot engine. This excess work could then be used to drive the Carnot refrigerator, which would pump more heat from the cold reservoir to the hot reservoir than the super-efficient engine took from the hot reservoir to produce that work. The net effect would be a transfer of heat from a cold reservoir to a hot reservoir without any net work input from the surroundings, which violates the Clausius statement of the Second Law of Thermodynamics («No process is possible whose sole result is the transfer of heat from a cooler to a hotter body»).
    Therefore, no real engine can be more efficient than a Carnot engine operating between the same temperature limits. The Carnot efficiency represents the maximum possible theoretical efficiency.
🧠 Exercises on Memorizing Terms

Activity 1: Process Identification

For each description, identify the type of thermodynamic process (Isothermal, Adiabatic):

  1. A process where the temperature of the gas remains constant. ______________
  2. A process where no heat enters or leaves the system. ______________
  3. In an ideal gas, ΔU = 0 during this process. ______________
  4. This process often occurs very rapidly or in a well-insulated container. ______________
Answers for Activity 1
  1. Isothermal Process
  2. Adiabatic Process
  3. Isothermal Process
  4. Adiabatic Process

Activity 2: Carnot Cycle Stages

Fill in the blanks regarding the Carnot Cycle stages:

  1. During isothermal expansion, heat is ______________ by the gas, and its internal energy ______________ (for an ideal gas).
  2. During adiabatic expansion, the temperature of the gas ______________, and work is done ______________ the gas.
  3. During isothermal compression, heat is ______________ by the gas, and work is done ______________ the gas.
  4. During adiabatic compression, the temperature of the gas ______________, and its internal energy ______________.
Answers for Activity 2
  1. absorbed (taken in), remains constant
  2. decreases, by
  3. rejected (given out), on
  4. increases, increases
📺 Watch & Learn: Video on the Carnot Cycle
📝 Solved Examples / Есептерді шешу мысалдары

Example 1: Carnot Engine Efficiency

A Carnot engine operates between a hot reservoir at 527°C and a cold reservoir at 27°C.

[Изображение схемы Карно двигателя с горячим и холодным резервуарами]

(a) Convert the reservoir temperatures to Kelvin.

(b) Calculate the maximum possible efficiency (Carnot efficiency) of this engine.

(c) If the engine absorbs 2000 J of heat from the hot reservoir (QH) per cycle, how much work does it perform per cycle?

(d) How much heat (QC) is rejected to the cold reservoir per cycle?

Brief Solution (Example 1)Detailed Solution (Example 1)

(a) TH = 800 K, TC = 300 K

(b) ηCarnot = 0.625 or 62.5%

(c) W = 1250 J

(d) QC = 750 J

(a) Convert temperatures to Kelvin:

TH (°C) = 527°C => TH (K) = 527 + 273 = 800 K

TC (°C) = 27°C => TC (K) = 27 + 273 = 300 K

(Textual pronunciation: T H is five hundred twenty-seven plus two hundred seventy-three, equals eight hundred Kelvin. T C is twenty-seven plus two hundred seventy-three, equals three hundred Kelvin.)

(b) Calculate the Carnot efficiency (ηCarnot):

ηCarnot = 1 — (TC / TH)

ηCarnot = 1 — (300 K / 800 K)

ηCarnot = 1 — (3/8) = 1 — 0.375

ηCarnot = 0.625 or 62.5%

(Textual pronunciation: Efficiency equals one minus T C divided by T H. This is one minus three hundred divided by eight hundred, which is one minus zero point three seven five, equals zero point six two five, or sixty-two point five percent.)

(c) Calculate the work done per cycle (W):

Efficiency η = W / QH

So, W = η × QH

W = 0.625 × 2000 J

W = 1250 J

(Textual pronunciation: Work equals efficiency times Q H. This is zero point six two five times two thousand Joules, equals one thousand two hundred fifty Joules.)

(d) Calculate the heat rejected to the cold reservoir (QC):

For any heat engine cycle, W = QH — QC

So, QC = QH — W

QC = 2000 J — 1250 J

QC = 750 J

Alternatively, using η = 1 — (QC / QH):

0.625 = 1 — (QC / 2000 J)

QC / 2000 J = 1 — 0.625 = 0.375

QC = 0.375 × 2000 J = 750 J

(Textual pronunciation: Q C equals Q H minus Work. This is two thousand Joules minus one thousand two hundred fifty Joules, equals seven hundred fifty Joules.)

</su_box]
"💻

While a direct PhET simulation for the complete Carnot cycle might be complex to set up perfectly, you can use the "Gas Properties" simulation to understand its individual components (isothermal and adiabatic processes).

Link to Simulation: PhET Gas Properties Simulation

Instructions & Tasks:

  1. Isothermal Expansion (Conceptual):
    • Add particles to the container. Note the temperature.
    • To expand isothermally, you would increase the volume (drag the handle). What would you need to do with the heat control (bottom) to keep the temperature constant as the gas expands and does work? (Hint: Work done by gas tends to cool it).
  2. Adiabatic Expansion (Conceptual):
    • Reset or start with particles at a certain temperature.
    • To expand adiabatically, you would increase the volume. For an adiabatic process, Q=0. What would happen to the temperature of the gas if it expands and does work without any heat input? Observe this by rapidly expanding the volume and not adding heat.
  3. Isothermal Compression (Conceptual):
    • To compress isothermally, you would decrease the volume. What would you need to do with the heat control to keep the temperature constant as work is done on the gas (which tends to heat it)?
  4. Adiabatic Compression (Conceptual):
    • To compress adiabatically, you would decrease the volume with Q=0. What would happen to the temperature of the gas if work is done on it without any heat being removed? Observe this by rapidly compressing the volume.

Discussion: How do these observations relate to the energy changes (ΔU, Q, W) in each stage of the Carnot cycle?

Brief Answers & Observations

1. Isothermal Expansion:

  • To keep temperature constant during expansion, you would need to add heat to the system because the gas does work, which would otherwise cause its internal energy (and thus temperature for an ideal gas) to decrease. (ΔU = 0, so Q = W).

(Қазақша: Ұлғаю кезінде температураны тұрақты ұстау үшін жүйеге жылу қосу керек, себебі газ жұмыс атқарады, бұл әйтпесе оның ішкі энергиясының (және идеал газ үшін температурасының) төмендеуіне әкелер еді. (ΔU = 0, сондықтан Q = W).)

2. Adiabatic Expansion:

  • If the gas expands adiabatically (Q=0) and does work, its internal energy decreases, so its temperature will decrease. Rapid expansion in the simulation approximates this.

(Қазақша: Егер газ адиабаталық түрде ұлғайса (Q=0) және жұмыс атқарса, оның ішкі энергиясы азаяды, сондықтан оның температурасы төмендейді. Симуляциядағы жылдам ұлғаю осыны шамамен көрсетеді.)

3. Isothermal Compression:

  • To keep temperature constant during compression, you would need to remove heat from the system because work is done on the gas, which would otherwise cause its internal energy (and temperature) to increase. (ΔU = 0, so Q = W, where W is work done BY gas, which is negative, so Q is negative).

(Қазақша: Сығылу кезінде температураны тұрақты ұстау үшін жүйеден жылуды алып тастау керек, себебі газға жұмыс жасалады, бұл әйтпесе оның ішкі энергиясының (және температурасының) артуына әкелер еді. (ΔU = 0, сондықтан Q = W, мұндағы W – газдың атқарған жұмысы, ол теріс, сондықтан Q да теріс).)

4. Adiabatic Compression:

  • If the gas is compressed adiabatically (Q=0) and work is done on it, its internal energy increases, so its temperature will increase. Rapid compression in the simulation approximates this.

(Қазақша: Егер газ адиабаталық түрде сығылса (Q=0) және оған жұмыс жасалса, оның ішкі энергиясы артады, сондықтан оның температурасы артады. Симуляциядағы жылдам сығылу осыны шамамен көрсетеді.)

Discussion: These observations directly align with the First Law of Thermodynamics (ΔU = Q — W) for each type of process. Isothermal: ΔU=0, so Q=W. Adiabatic: Q=0, so ΔU = -W (where W is work done by the gas).

(Талқылау: Бұл бақылаулар әрбір процесс түрі үшін Термодинамиканың Бірінші Заңымен (ΔU = Q — W) тікелей сәйкес келеді. Изотермиялық: ΔU=0, сондықтан Q=W. Адиабаталық: Q=0, сондықтан ΔU = -W (мұндағы W – газдың атқарған жұмысы).)

🤝 Pair/Group Work: Carnot Cycle Analysis / Жұптық/Топтық жұмыс: Карно циклін талдау

Work with a partner or in a small group.

Task: Energy Flow in a Carnot Cycle

Consider a Carnot engine operating between TH = 600 K and TC = 300 K. In one cycle, it absorbs 1200 J of heat from the hot reservoir.

  1. Calculate the efficiency of this Carnot engine.
  2. Calculate the net work done by the engine per cycle.
  3. Calculate the amount of heat rejected to the cold reservoir per cycle.
  4. For each of the four stages of the Carnot cycle (Isothermal Expansion, Adiabatic Expansion, Isothermal Compression, Adiabatic Compression), discuss qualitatively:
    • Is heat (Q) added, removed, or zero?
    • Is work (W) done by the gas, on the gas, or zero? (Specify sign of W if W is work done by gas)
    • Does the internal energy (ΔU) of the ideal gas increase, decrease, or remain zero?

You can use a shared document (e.g., Google Docs) or a tool like Lucidchart (for diagrams/flow) to organize your answers and discussion.

Guidance for Carnot Cycle Analysis

1. Efficiency η = 1 — (TC / TH) = 1 — (300K / 600K) = 1 — 0.5 = 0.5 or 50%.

2. Net work W = η × QH = 0.5 × 1200 J = 600 J.

3. Heat rejected QC = QH — W = 1200 J — 600 J = 600 J. (Alternatively, QC/QH = TC/TH => QC = QH * (TC/TH) = 1200 J * (300/600) = 600 J).

4. Qualitative discussion for each stage:

  • Isothermal Expansion (at TH):
    • Q: Added (+QH = 1200 J)
    • W (by gas): Done by gas (+) (W = QH = 1200 J)
    • ΔU: Zero (isothermal, ideal gas)
  • Adiabatic Expansion (TH to TC):
    • Q: Zero
    • W (by gas): Done by gas (+)
    • ΔU: Decreases (cools down, ΔU = -W)
  • Isothermal Compression (at TC):
    • Q: Removed (-QC = -600 J from system perspective)
    • W (by gas): Done on gas (-) (W = -QC = -600 J, so work done *on* gas is +600 J)
    • ΔU: Zero (isothermal, ideal gas)
  • Adiabatic Compression (TC to TH):
    • Q: Zero
    • W (by gas): Done on gas (-)
    • ΔU: Increases (heats up, ΔU = -W)

Note: The sum of work done by the gas in all stages will be the net work (1200 J + Wadia_exp — 600 J + Wadia_comp_by_gas = 600 J). The work done during adiabatic stages will balance out such that Wadia_exp + Wadia_comp_by_gas = 0 J for the specific magnitudes in a Carnot cycle, or rather, WBC = -WDA in terms of magnitude of internal energy change. More precisely, the net work is the sum of work in isothermal stages if we consider the internal energy changes in adiabatic stages. The area enclosed is Wnet.

✍️ Individual Work: Structured Questions / Жеке жұмыс: Құрылымдық сұрақтар

Answer the following questions to test your understanding and ability to apply the concepts of the Carnot cycle. Show your working where necessary.

  1. A Carnot engine has an efficiency of 30%. The engine absorbs heat from a hot reservoir at a temperature of 600 K.

    (a) Calculate the temperature of the cold reservoir in Kelvin and in Celsius.

    (b) If the engine performs 150 J of work per cycle, how much heat does it absorb from the hot reservoir?

    (c) How much heat is rejected to the cold reservoir per cycle?

  2. Explain why a Carnot cycle is described as a «reversible» cycle. What are the practical implications of this reversibility in terms of achieving maximum possible efficiency?

  3. Sketch a P-V diagram for a Carnot cycle, clearly labeling the four stages (A→B, B→C, C→D, D→A) and indicating whether each process is isothermal or adiabatic. For each stage, state whether: (i) heat is added to the gas, removed from the gas, or zero; (ii) the internal energy of the ideal gas increases, decreases, or is zero.

  4. Two Carnot engines, X and Y, operate between the same hot reservoir temperature TH. Engine X has a cold reservoir temperature TCX. Engine Y has a cold reservoir temperature TCY, where TCY < TCX. Which engine has a higher thermal efficiency? Justify your answer using the Carnot efficiency formula.

  5. A scientist claims to have built a heat engine that operates between a hot reservoir at 700 K and a cold reservoir at 300 K, and produces 500 J of work for every 1000 J of heat it absorbs from the hot reservoir.

    (a) Calculate the claimed efficiency of this engine.

    (b) Calculate the maximum possible efficiency (Carnot efficiency) for an engine operating between these temperatures.

    (c) Is the scientist’s claim plausible? Explain your reasoning based on Carnot’s theorem.

(Note: These questions are designed for analysis and synthesis. Focus on clear explanations and accurate calculations.)

Answers to Selected Individual Work Questions (Guidance)

Guidance for Q1: (η = 0.30, TH = 600 K)

(a) η = 1 — (TC / TH) => 0.30 = 1 — (TC / 600) => TC / 600 = 0.70 => TC = 0.70 × 600 = 420 K.
TC in °C = 420 — 273 = 147 °C.

(b) η = W / QH => 0.30 = 150 J / QH => QH = 150 J / 0.30 = 500 J.

(c) QC = QH — W = 500 J — 150 J = 350 J.

Guidance for Q2:

Reversible means each stage can be reversed by an infinitesimal change, returning system and surroundings to original state. No dissipative effects (friction, turbulence). Implies it achieves the maximum possible efficiency as defined by Carnot’s theorem; any irreversibility reduces efficiency.

Guidance for Q3:

Sketch P-V diagram: Isothermal Expansion (A-B, Qin, ΔU=0), Adiabatic Expansion (B-C, Q=0, ΔU decreases), Isothermal Compression (C-D, Qout, ΔU=0), Adiabatic Compression (D-A, Q=0, ΔU increases).

Guidance for Q4:

η = 1 — (TC / TH). Since TH is the same, smaller TC means smaller (TC / TH) ratio. Thus, 1 — (TC / TH) is larger.
Since TCY < TCX, then (TCY / TH) < (TCX / TH).
So, 1 — (TCY / TH) > 1 — (TCX / TH). Engine Y has higher efficiency.

Guidance for Q5: (TH = 700 K, TC = 300 K. Claim: W = 500 J for QH = 1000 J)

(a) Claimed η = W / QH = 500 J / 1000 J = 0.5 or 50%.

(b) Carnot η = 1 — (TC / TH) = 1 — (300 K / 700 K) = 1 — 3/7 = 4/7 ≈ 0.571 or 57.1%.

(c) The claimed efficiency (50%) is less than the maximum possible Carnot efficiency (57.1%). Therefore, the scientist’s claim is plausible (it does not violate the Second Law of Thermodynamics / Carnot’s Theorem). If the claimed efficiency were higher than Carnot efficiency, it would be impossible.

📚 Further Resources & Reading / Қосымша ресурстар және оқу материалдары
🤔 Lesson Reflection / Сабақ бойынша рефлексия

Take a few moments to reflect on what you have learned in this lesson:

  1. What is the primary reason the Carnot cycle is considered theoretically important, even though a perfect Carnot engine cannot be built in practice?
  2. If you wanted to increase the efficiency of a Carnot engine, would it be more effective to increase TH by a certain amount or decrease TC by the same amount (in Kelvin)? Explain your reasoning using the efficiency formula.
  3. How does the concept of a «reversible process» relate to the stages of the Carnot cycle?
  4. On a scale of 1 (Not at all understood) to 5 (Very well understood), how would you rate your current understanding of why the Carnot cycle represents the maximum possible efficiency for a heat engine?
  5. Can a Carnot cycle be run in reverse? If so, what kind of device would it represent, and what would be its purpose?