कार्नो चक्र की उच्चतम संभव दक्षता होने के बावजूद, यह गैसीय कार्यशील द्रव का उपयोग करने वाले व्यावहारिक इंजन के लिए उपयुक्त नहीं है, क्योंकि:

व्याख्या:

कार्नो चक्र एक सैद्धांतिक ऊष्मागतिक चक्र है जिसका प्रस्ताव 1824 में निकोलस लियोनार्ड साडी कार्नो ने किया था। इसे ऊष्मा को कार्य में परिवर्तित करने या ऊष्मा से कार्य निकालने के लिए सबसे कुशल संभव चक्र माना जाता है। कार्नो चक्र की दक्षता ऊष्मा स्रोत और ऊष्मा सिंक के बीच तापमान के अंतर से ऊष्मा स्रोत के तापमान से विभाजित होती है। अपनी सैद्धांतिक दक्षता के बावजूद, कार्नो चक्र गैसीय कार्यशील द्रवों का उपयोग करने वाले व्यावहारिक इंजनों के लिए कई कारणों से उपयुक्त नहीं है।

सही उत्तर विकल्प 3 है: पूर्णतः उत्क्रमणीय प्रक्रियाओं को प्राप्त करना असंभव है। आइए हम विस्तार से समझते हैं कि ऐसा क्यों है:

सही विकल्प विश्लेषण:

पूर्णतः उत्क्रमणीय प्रक्रियाओं की असंभावना:

कार्नो चक्र में दो समतापीय प्रक्रियाएँ (एक उच्च तापमान पर और एक निम्न तापमान पर) और दो रुद्धोष्म प्रक्रियाएँ होती हैं। उच्चतम दक्षता प्राप्त करने के लिए, इनमें से प्रत्येक प्रक्रिया पूर्णतः उत्क्रमणीय होनी चाहिए। एक उत्क्रमणीय प्रक्रिया एक आदर्शीकरण है और यह मानती है कि कोई एन्ट्रापी उत्पादन नहीं है, कोई घर्षण नहीं है, कोई अप्रतिबंधित प्रसार नहीं है, और कोई ऊष्मा अंतरण एक सीमित तापमान अंतर के माध्यम से नहीं है। वास्तव में, इन शर्तों को पूरा करना असंभव है:

• घर्षण: सभी व्यावहारिक इंजन किसी न किसी प्रकार के घर्षण का अनुभव करते हैं, चाहे वह पिस्टन में हो, बेयरिंग में हो, या अन्य गतिमान भागों में। यह घर्षण एन्ट्रापी उत्पन्न करता है और प्रक्रिया को अनुत्क्रमणीय बनाता है।
• ऊष्मा अंतरण: कार्नो चक्र में, ऊष्मा को समतापीय रूप से स्थानांतरित किया जाना चाहिए, जिसके लिए यह सुनिश्चित करने के लिए एक असीम रूप से धीमी प्रक्रिया की आवश्यकता होती है कि सिस्टम ऊष्मा भंडार के साथ तापीय संतुलन में बना रहे। व्यवहार में, ऊष्मा अंतरण एक सीमित तापमान अंतर पर होता है, जो प्रक्रिया को अनुत्क्रमणीय बनाता है।
• अप्रतिबंधित प्रसार: वास्तविक इंजनों में, गैसों के अप्रतिबंधित प्रसार या संपीड़न से जुड़े हमेशा नुकसान होते हैं। इससे एन्ट्रापी उत्पादन और अनुत्क्रमणीयता होती है।
• एन्ट्रापी उत्पादन: कोई भी व्यावहारिक प्रक्रिया विभिन्न अनुत्क्रमणीयताओं के कारण एन्ट्रापी उत्पन्न करेगी, जिसमें घर्षण, तेजी से प्रसार या संपीड़न और सीमित तापमान अंतर के माध्यम से ऊष्मा अंतरण शामिल हैं। यह कार्नो चक्र में माने गए आदर्श उत्क्रमणीय प्रक्रियाओं को प्राप्त करना असंभव बनाता है।

इन अंतर्निहित व्यावहारिक सीमाओं के कारण, कार्नो चक्र के लिए आवश्यक पूर्णतः उत्क्रमणीय प्रक्रियाओं को प्राप्त करना असंभव है। परिणामस्वरूप, जबकि कार्नो चक्र अधिकतम संभव दक्षता के लिए एक उपयोगी बेंचमार्क प्रदान करता है, इसे गैसीय कार्यशील द्रव का उपयोग करने वाले व्यावहारिक इंजन में महसूस नहीं किया जा सकता है।

अन्य विकल्पों का विश्लेषण:

विकल्प 1: चक्र को बहुत उच्च दबाव की आवश्यकता होती है जिन्हें प्रबंधित करना कठिन होता है:

जबकि उच्च दबाव इंजनों के प्रबंधन और रखरखाव में चुनौतियाँ पेश कर सकते हैं, यह मुख्य कारण नहीं है कि कार्नो चक्र व्यावहारिक इंजनों के लिए उपयुक्त नहीं है। मुख्य मुद्दा पूर्णतः उत्क्रमणीय प्रक्रियाओं को प्राप्त करने की असंभावना है, न कि इसमें शामिल दबाव।

विकल्प 2: व्यवहार में समतापीय प्रक्रियाओं को बनाए रखना आसान है:

यह कथन गलत है। वास्तव में, व्यवहार में समतापीय प्रक्रियाओं को बनाए रखना काफी कठिन है, खासकर एक गतिशील प्रणाली जैसे इंजन में। समतापीय प्रक्रियाओं के लिए तापीय संतुलन सुनिश्चित करने के लिए बहुत धीमे ऊष्मा अंतरण की आवश्यकता होती है, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों में संभव नहीं है।

विकल्प 4: चक्र से कार्य उत्पादन काफी कम है:

जबकि किसी भी चक्र का कार्य उत्पादन विशिष्ट परिस्थितियों और डिज़ाइन पर निर्भर करता है, कार्नो चक्र सैद्धांतिक रूप से सबसे कुशल चक्र है। इसलिए, कार्य उत्पादन स्वाभाविक रूप से कम नहीं होना चाहिए। मुख्य मुद्दा व्यवहार में सैद्धांतिक दक्षता प्राप्त करना है।

निष्कर्ष में, कार्नो चक्र गैसीय कार्यशील द्रव का उपयोग करने वाले व्यावहारिक इंजनों के लिए उपयुक्त नहीं होने का प्राथमिक कारण पूर्णतः उत्क्रमणीय प्रक्रियाओं को प्राप्त करने की असंभावना है। यह अंतर्निहित सीमा वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में कार्नो चक्र की सैद्धांतिक दक्षता को महसूस करना असंभव बनाती है।