Карта Карно для:
2 переменных
3 переменных
переменных
Определяем формат минимизации функции:
ДНФ (дизъюнктивная нормальная форма) использовать 1 для обводки контура
или
КНФ (конъюнктивная нормальная форма) использовать 0 для обводки контура
Выделяем контуры (обводим клетки количество которых равно 20 или 21 или 22 или …) на карте Кано
Пример для ДНФ:
Для каждого контура выделяем области:
Смотрим на значения каждого х, на выбранной области, и записываем х, если значения равны только 1 и ¬х если значения равны только 0, а если значения равны 0 и 1, то данный х не записываем. (для ДНФ)
Между х в одном контуре ставиться ⋅ (умножение или И)
Между контурами ставиться + (сложение или ИЛИ)
Смотрим
на значения каждого х, на выбранной
области, и записываем х, если значения
равны только 0 и ¬х
если значения равны только 1, а если
значения равны 0 и 1, то данный х не
записываем. n
клеток. Каждой клетке диаграммы ставится
в соответствие двоичный n-мерный набор.
Взаимно однозначное соответствие между
двоичными наборами и клетками диаграммы
устанавливается разметкой последней.
Рекомендации по минимизации булевых функций с использованием диаграмм Вейча:
1. Рассматриваются поочередно клетки, содержащие единицы, и анализируются всевозможные варианты склеивания. При этом сначала склеивание выполняется только для тех клеток (единиц), для которых вариант склеивания единственный. В результате будут выделены обязательные (или существенные) простые импликанты.
2. Оставшиеся несклеенные клетки (единицы) необходимо склеивать таким образом, чтобы образовать минимальное число групп с максимальным числом клеток в каждой группе.
3.
Каждой группе объединенных клеток в
минимальной ДНФ будет соответствовать
простая импликанта, определяемая как
конъюнкция только тех переменных,
значения которых постоянны для всех
наборов, задающих клетки данной группы.
Советую посмотреть ролик на 9 мин. https://www.youtube.com/watch?v=42o6pFXCtnQ, но вот небольшая инструкция по тому как пользоваться диаграммой Вейча.
Заполняем значения функции в диаграмму по следующей схеме
Определяем формат минимизации функции:
ДНФ (дизъюнктивная нормальная форма) использовать 1 для обводки контура
или
КНФ (конъюнктивная нормальная форма) использовать 0 для обводки контура
Выделяем контуры (обводим клетки количество которых равно 20 или 21 или 22 или …) как на карте Карно
Пример для ДНФ:
Смотрим на каждый из контуров и записываем х если он полность входит в эту область, если контур полностью не входит в область, то записываем ¬х, если контур входит частично в область, то эту область (х) не записываем.
(для ДНФ)
Между х в одном контуре ставится ⋅ (умножение или И)
Между контурами ставится + (сложение или ИЛИ)
Смотрим на каждый из контуров и записываем х если он полность входит в эту область, если контур полностью не входит в область, то записываем ¬х, если контур входит частично в область, то эту область (х) не записываем. (для КНФ)
Между х в одном контуре ставится + (сложение или ИЛИ)
Между контурами ставится ⋅ (умножение или И)
Для примера из 3) была бы СДНФ (совершенная дизъюнктивная нормальная форма) такая:
F = х1⋅х2⋅¬х4 + ¬х1⋅х3⋅х4
Карты Карно для 4-х переменных — Студопедия
Поделись с друзьями:
Как и в обычных таблицах соответствия клетки наборов, на которых функция принимает значение 1, заполняются единицами (нули обычно не вписываются, им соответствуют пустые клетки).
Например, на рис. показана карта Карно для функции, отображение которой дано на 4-х-мерном кубе (см. рис.).
Для упрощения строки и столбцы, соответствующие значениям “1” для некоторой переменной, выделяются фигурной скобкой с обозначением этой переменной.
Рис. а) отображение функции четырех переменных;
б) отображение ее минимального покрытия.
Между отображениями функции на n -мерном кубе и на карте Карно имеет место взаимно-однозначное соответствие. На карте Карно S -кубу соответствует совокупность 2-х соседних клеток, размещенных в строке, столбце, квадрате или прямоугольнике. Поэтому все положения, изложенные ранее, справедливы и для карт Карно. Так на рис. б) показано покрытие единиц карты, соответствующее минимальной дизъюнктивной форме
у = , рассматриваемой функции.
Считывание минитермов с карты Карно осуществляется по простому правилу. Клетки, образующие S -куб, дают минитерм (n-S)-го ранга, в который входят те (n-S)-переменные, которые сохраняют одинаковые значения на этом S -кубе, причем значениям “1” соответствуют сами переменные, а значениям “0” их отрицание.
Переменные, которые не сохраняют свои значения на S -кубе, в минитерме отсутствуют. Различные способы считывания приводят к различным представлениям функции в ДНФ.
у = у =
у =
Использование карт Карно требует более простых построений по сравнению с отображением на n -мерном кубе, особенно в случае 4-х переменных.
Для отображения функций 5-ти переменных используют две карты Карно на 4-ре переменные, а для функции 6-ти переменных — четыре таких карты.
При дальнейшем увеличении числа переменных карты Карно становятся практически непригодны.
Метод Мак-Класски (алгебраический метод)
Алгебраический метод известен как метод Мак-Класски, модифицировавшего в 1956 году метод Квайна. Базируется данный метод на следующей теореме.
Теорема. Если в СДНФ функции алгебры логики произвести всевозможные операции неполного склеивания, а затем всевозможные операции элементарного поглощения, то полученная форма функции будет сокращенной.
Элементарную конъюнкцию ранга n будем называть минитермом ранга n.
Элементарная конъюнкция называется импликантой булевой функции , если , то есть булева функция на данном наборе является константной и равна 1.
Минимизация булевой функции по методу Мак-Класски осуществляется согласно следующей последовательности действий:
1. Записать минитермы в виде их двоичных кодов и разбить их на непересекающиеся группы по числу единиц в этих группах. В i-ю группу войдут только те кодовые комбинации, которые в своей двоичной записи содержат ровно i единиц. Группы располагаются по мере роста i.
2. Попарное сравнение минитермов.
2.1. Произвести попарное сравнение двоичных номеров всех членов группы с индексом i с членами только группы с индексом (i+1).
2.2. Если некоторые два минитерма имеют вид axi и , то выписывают конъюнкцию а, которая является минитермом ранга (n-1), то есть если сравниваемы двоичные коды различаются только в одном разряде, то в столбец остатков записывается двоичный код с прочерком “-” на месте этого разряда (этот код соответствует минитерму (n-1)-го ранга.
2.3. Все двоичные коды номеров, участвующих в операции сравнения при условии их склеивания, отмечаются знаком “*”.
2.4. Пункты 2.1-2.3. повторяются для всех групп последовательно в порядке возрастания i. Двоичные коды, не отмеченные знаком “*”, соответствуют простым импликантам.
2.5. После построения всех минитермов (n-1) ранга по пунктам 2.1-2.3, они также сравниваются между собой и получают минитермы ранга (n-2) и т.д. Работа по первому этапу продолжается до тех пор, пока среди двоичных кодов можно будет обнаружить сравнимые, то есть такие укороченные коды, которые содержат прочерки в одних и тех же разрядах и различаются значением одного разряда.
Все неотмеченные минитермы называются первичными или простыми импликантами.
3. Построение импликантной таблицы. Строится таблица, в которой число строк равно числу полученных первичных импликант минимизируемой функции, а число столбцов равно числу минитермов исходной СДНФ. Если в некоторый минитерм исходной СДНФ входит первичная импликанта, то на пересечении строки и столбца ставится метка. Данные импликантной таблицы позволяют определить импликанты, отбросив которые, истинность функции не изменится.
4. Нахождение существенных импликант. Если в каком-либо из столбцов полученной таблицы имеется только одна метка, то первичная импликанта, стоящая в соответствующей строке, называется существенной. Существенная импликанта включается в минимальную ДНФ, а из таблицы исключаются строки, соответствующие существенным импликантам, а также столбцы минитермов, покрываемые этими существенными импликантами. Если в таблице нет столбцов, содержащих только одну метку, то переход на п.7.
5. Вычеркивание лишних столбцов. Если в таблице после четвертого этапа есть два столбца, в которых стоят метки в одинаковых строках, то один из них вычеркивают, так как покрытие оставшегося столбца будет осуществлять покрытие исключенного минитерма.
6. Вычеркивание лишних первичных импликант. Если на пятом этапе появляются строки, в которых нет меток, то первичная импликанта исключается из дальнейшего рассмотрения.
7. Выбор минимального покрытия. Выбирают наименьшее число строк таких, чтобы для каждого столбца из данной таблицы и каждой метки в этом столбце нашлась бы по крайней мере одна строка из множества выбранных строк, которая содержит эту метку.
Дизъюнкция всех простых импликантов покрытия, в том числе и существенных, образует тупиковую форму функции. Из найденных тупиковых форм выбирают минимальную по наименьшему числу дизъюнкций и элементов переменных.
Пример.
.
1) Получение групп кодовых комбинаций. 0011 0100 0101 0111 1001 1011 1100 1101
1 гр. 0100 2 гр. 0011 3 гр. 0111
0101 1011
1001 1101
2) Попарное сравнение минитермов.
Минитермы 3-го ранга: 010-*, -100, 0-11, -011, -101, 10-1, 1-01, 110-*
Минитермы 2-го ранга: -10-.
3) Построение импликантной таблицы и расстановка меток
-100 | * | * | ||||||
0-11 | * | * | ||||||
-011 | * | * | ||||||
-101 | * | * | ||||||
10-1 | * | * | ||||||
1-01 | * | * | ||||||
-10- | * | * | * | * |
4) Нахождение существенных импликант. Столбец, соответствующий кодовой комбинации 0111 содержит единственную метку. Соответствующая этой метке импликанта является существенной, поэтому включаем ее в минимальную ДНФ , а из таблицы согласно п.4 исключаем столбцы и строку, после чего получаем следующую таблицу:
-100 | * | * | ||||
-011 | * | |||||
-101 | * | * | ||||
10-1 | * | * | ||||
1-01 | * | * | ||||
-10- | * | * | * | * |
5) и 6) В полученной таблице нет столбцов, в которых стоят метки в одинаковых строках и нет строк, в которых нет меток, поэтому переходим к п. 7.
7) Выбор минимального покрытия. Минимальному покрытию соответствует выбор строк -10- и 10-1. Тогда минимизированная ДНФ запишется как .
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Введение K-Map (Карта Карно)
Во многих цифровых схемах и практических задачах нам нужно найти выражение с минимальным количеством переменных. Мы можем очень легко минимизировать булевы выражения с 3, 4 переменными, используя K-карту, не используя никаких теорем булевой алгебры. K-map может принимать две формы: сумма продукта (SOP) и продукт суммы (POS) в зависимости от необходимости проблемы. K-map представляет собой табличное представление, но дает больше информации, чем TRUTH TABLE. Мы заполняем сетку K-карты нулями и единицами, а затем решаем ее, создавая группы.
Шаги для решения выражения с использованием K-карты-
- Выберите K-карту в соответствии с количеством переменных.
- Определите minterms или maxterms, указанные в задаче.
- Для SOP поставьте 1 в блоках K-map, соответствующих minterms (0 в других местах).
- Для POS поместите 0 в блоки K-карты, соответствующие maxterms (1 в других местах).
- Составьте прямоугольные группы, содержащие суммы членов в степени двойки, например 2,4,8 ..(кроме 1), и постарайтесь охватить как можно больше элементов в одной группе.
- Из групп, созданных на шаге 5, найдите условия продукта и суммируйте их для формы СОП.
ФОРМА СОП:
1. К-карта с 3 переменными –
К-карта СОП с 3 переменными 9000 3
Z= ∑A,B,C(1,3, 6,7)
Из группы красный получаем товарный термин—
A'C
Из зеленый группа получаем товарный термин—
AB
Суммируя эти условия продукта, мы получаем- Окончательное выражение (A’C+AB)
2. К-карта для 4-х переменных –
К-карта 4-х переменных СОП форма
F(P,Q,R,S)= ∑ (0,2,5,7,8,10,13,15)
Из группы красный получаем товарный термин –
QS
Из зеленый группы получаем товарный термин –
9 0038 вопросСуммируя эти условия продукта, мы получаем- Окончательное выражение (QS+Q’S’)
ФОРМА POS:
1. К-карта 3 переменных –
3,6, 7)
Из группы красный находим термы
A B
Дополняя эти два
A' B'
Теперь суммируйте
(A' + B')
Из группы коричневый находим термины
B C
Дополняя эти два термина
B' C'
Теперь суммируем их
(B'+C')
Из группы желтый находим термины
A' B' C'
Взятие дополнение этих двух
A B C
Теперь суммируем
(A + B + C)
Возьмем произведение этих трех членов: Окончательное выражение –
90 005 (А'+В') (B' + C') (A + B + C)
2. K-карта 4 переменных –
K-карта 4 переменных Форма POS
F(A,B,C,D)=π(3,5,7,8,10,11,12 ,13)
Из группы зеленых находим члены
C' D B
Взяв их дополнение и просуммировав их
(C+D' +B')
Из группы красный мы найти термины
C D A'
Взять их дополнение и суммировать их
(C'+D'+A)
Из синий группа находим термины
A C' D'
Взяв их дополнение и просуммировав их
(A'+C+D)
Из коричневый группа находим термины
9 0038 А В’ СБеря их дополнение и суммируя их
(A'+B+C')
Наконец, мы выражаем их как произведение –
(C+D'+B').(C'+D'+A).( A'+C+D).(A'+B+C')
PITFALL – * Всегда помните POS ≠ (SOP)’
*Правильная форма: ( POS of F)=(SOP of F’)’
Викторина по K-MAP
Эта статья написана Ануджем Бхатамом. Пожалуйста, пишите комментарии, если вы обнаружите что-то неверное, или вы хотите поделиться дополнительной информацией по теме, обсуждаемой выше
Цикл Карно — Химия LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 1962
В начале 19 века паровые машины стали играть все более важную роль в промышленности и на транспорте. Однако систематический набор теорий преобразования тепловой энергии в движущую силу паровыми двигателями еще не был разработан. Николя Леонар Сади Карно (1796-1832), французский военный инженер, опубликовал в 1824 году «Размышления о движущей силе огня ». известный как цикл Карно. Карно разработал основу второго закона термодинамики, и его часто называют «отцом термодинамики».
Цикл Карно
Цикл Карно состоит из следующих четырех процессов:
- Процесс обратимого изотермического расширения газа. В этом процессе идеальный газ в системе поглощает количество тепла \(q_{in}\) от источника тепла при высокой температуре \(T_{high}\), расширяется и совершает работу с окружающей средой.
- Процесс обратимого адиабатического расширения газа. При этом система теплоизолируется. Газ продолжает расширяться и совершать работу с окружающей средой, что приводит к охлаждению системы до более низкой температуры, \(T_{low}\).
- Процесс обратимого изотермического сжатия газа. В этом процессе окружающая среда совершает работу с газом при \(T_{low}\) и вызывает потерю тепла, \(q_{out}\).
- Процесс обратимого адиабатического сжатия газа. При этом система теплоизолируется. Окружающая среда продолжает совершать работу с газом, из-за чего температура снова поднимается до \(T_{high}\).
![](/800/600/http/cf.ppt-online.org/files/slide/n/nufWxgOAJXbEdPD3C29aywRGUQKSct0YH7MsFe/slide-24.jpg)
Диаграмма P-V
Диаграмма P-V цикла Карно показана на рисунке \(\PageIndex{2}\). В изотермических процессах I и III ∆U=0, так как ∆T=0. В адиабатических процессах II и IV q=0. Работа, теплота, ∆U и ∆H каждого процесса в цикле Карно суммированы в таблице \(\PageIndex{1}\).
Рисунок \(\PageIndex{2}\): PV-диаграмма цикла Карно.Процесс | ш | q | ΔU | ΔH |
---|---|---|---|---|
я | \(-nRT_{высокий}\ln\left(\dfrac{V_{2}}{V_{1}}\right)\) | \(nRT_{high}\ln\left(\dfrac{V_{2}}{V_{1}}\right)\) | 0 | 0 |
II | \(n\bar{C_{v}}(T_{низкий}-T_{высокий})\) | 0 | \(n\bar{C_{v}}(T_{низкий}-T_{высокий})\) | \(n\bar{C_{p}}(T_{низкий}-T_{высокий})\) |
III | \(-nRT_{low}\ln\left(\dfrac{V_{4}}{V_{3}}\right)\) | \(nRT_{low}\ln\left(\dfrac{V_{4}}{V_{3}}\right)\) | 0 | 0 |
IV | \(n\bar{C_{v}}(T_{высокий}-T_{низкий})\) | 0 | \(n\bar{C_{v}}(T_{высокий}-T_{низкий})\) | \(n\bar{C_{p}}(T_{высокий}-T_{низкий})\) |
Полный цикл | \(-nRT_{высокий}\ln\left(\dfrac{V_{2}}{V_{1}}\right)-nRT_{low}\ln\left(\dfrac{V_{4}}{V_ {3}}\справа)\) | \(nRT_{высокий}\ln\left(\dfrac{V_{2}}{V_{1}}\right)+nRT_{low}\ln\left(\dfrac{V_{4}}{V_{ 3}}\справа)\) | 0 | 0 |
Диаграмма T-S
Диаграмма T-S цикла Карно показана на рисунке \(\PageIndex{3}\). В изотермических процессах I и III ∆T=0. В адиабатических процессах II и IV ∆S=0, так как dq=0. ∆T и ∆S каждого процесса в цикле Карно показаны в таблице \(\PageIndex{2}\).
Процесс | ΔT | ΔS |
---|---|---|
я | 0 | \(-nR\ln\left(\dfrac{V_{2}}{V_{1}}\right)\) |
II | \(T_{низкий}-T_{высокий}\) | 0 |
III | 0 | \(-nR\ln\left(\dfrac{V_{4}}{V_{3}}\right)\) |
IV | \(T_{высокий}-T_{низкий}\) | 0 |
Полный цикл | 0 | 0 |
Эффективность
Цикл Карно является наиболее эффективным из возможных двигателей, основанным на допущении об отсутствии случайных расточительных процессов, таких как трение, и допущении об отсутствии теплопроводности между различными частями двигателя при разных температурах. КПД двигателя Карно определяется как отношение выходной энергии к подводимой энергии. 9{C_{V}/R}=\dfrac{V_{4}}{V_{1}}\]
И с T 1 = T 2 и T 3 90 465 = T 4 ,
\[\dfrac{V_{3}}{V_{4}}=\dfrac{V_{2}}{V_{1}}\]
Следовательно,
\[ \text{эффективность}=\dfrac{nRT_{высокий}\ln\left(\dfrac{V_{2}}{V_{1}}\right)-nRT_{low}\ln\left(\dfrac{V_{ 2}}{V_{1}}\right)}{nRT_{high}\ln\left(\dfrac{V_{2}}{V_{1}}\right)}\]
\[\boxed{ \text{эффективность}=\dfrac{T_{высокий}-T_{низкий}}{T_{высокий}}}\]
Резюме
Цикл Карно имеет максимально возможный КПД двигателя (хотя другие циклы имеют такой же КПД) на основе предположения об отсутствии побочных расточительных процессов, таких как трение, и предположения об отсутствии теплопроводности между различными частей двигателя при различных температурах.
Проблемы
- Сейчас вы работаете с двигателем Карно с КПД 40%, который отводит тепло в радиатор при температуре 298 К.
Если вы хотите увеличить КПД двигателя до 65%, до какой температуры вам придется поднять резервуар для тепла?
- Двигатель Карно поглощал 1,0 кДж тепла при температуре 300 К и выделял 400 Дж тепла в конце цикла. Какая температура в конце цикла?
- Внутренний обогреватель, работающий по циклу Карно, нагревает дом со скоростью 30 кДж/с, чтобы поддерживать внутреннюю температуру на уровне 72 ºF. Какова мощность нагревателя, если температура наружного воздуха 30 ºF?
Ссылки
- Goldstein, M. J. Chem. Образовательный , 1980 , 57, 114-116
- Bader, M. J. Chem. Образовательный , 1973 , 50 , 834
- В. Ф. Людер. J. Chem. Образовательный , 1944 , 21 , 600-601
- Salter, C. J. Chem. Образовательный , 2000 , 77, 1027-1030
Цикл Карно распространяется под лицензией CC BY 4.