Цикл карно (оборотний)

Грунтуючись на другому початку термодинаміки, Карно вивів теорему. носить тепер його ім'я:

З усіх періодично діючих теплових машин, що мають однакові температури нагрівачів і холодильників, найбільшим ККД мають оборотні машини. Причому ККД оборотних машин, що працюють при однакових температурах нагрівачів і холодильників, дорівнюють один одному і не залежать від конструкції машини і від природи робочої речовини. При цьому ККД менше одиниці.

Цикл, вивчений Карно, є найекономічнішим і являє собою круговий процес, що складається з двох ізотерм і двох адіабати (рис. 5.5).

Розглянемо прямий цикл Карно, в якому в якості робочого тіла використовується ідеальний газ, укладений в посудину з рухомим поршнем. Визначимо його ККД.

Розглянемо круговий процес, при якому тепло можна перетворити в роботу, до того ж найкращим чином, тобто щоб робота була максимальна. Нагадаю, що теплової машиною називається періодично діючий двигун, що здійснює роботу за рахунок одержуваного ззовні тепла і має нагрівач, холодильник і робоче тіло. Так ось будемо вважати, що нагрівач і холодильник мають нескінченну теплоємність, тобто їх температури не змінюються в процесі передачі тепла.

Розглянемо процес спочатку якісно. Почнемо процес з т. А. Газ стиснутий до тиску Р0 і знаходиться в контакті з нагрівачем при Т1. Розширення газу при якому процесі дасть максимальну роботу? Згадаймо закон збереження енергії в термодинаміці, або I початок.

В ізотермічному процесі dU = 0, значить все тепло перейде в роботу:

Отже, на ділянці АВ - ізотермічний розширення при температурі Т1 (процес теплопередачі не відбувається, тому що немає різниці температур, не відбувається і передача тепла без здійснення роботи, тобто процес оборотний).

Отримане робочим тілом тепло потрібно передати холодильника. Але якщо просто привести до зіткненню з холодильником, то буде передача тепла без здійснення роботи. Тому потрібно спочатку робоче тіло охолодити до Т2 (а охолоджувати без витрат тепла - це адіабатичне розширення ділянку ВС), а потім вже приєднувати до холодильника. Адіабатичним розширенням закінчується перша половина циклу - вчинення корисної роботи.

Тепер необхідно повернути робоче тіло в початковий стан, тобто стиснути газ до Р0. Контакт з нагрівачем знову не слід робити, поки робоче тіло не прийме температуру нагрівача (Т1).

Повернення в т. А знову відбувається в два етапи: спочатку робоче тіло стискають, не перериваючи контакту з холодильником, при цьому холодильника віддається тепло Q2 (ізотермічний стиск СD). Потім ізолюють тіло від холодильника, адіабатно стискають його, при цьому температура його підвищується до Т1 (D А). Робоче тіло при адіабатичному стисненні нагрівається за рахунок зовнішньої роботи, яку здійснюють над ним.

Як бачимо, на всіх стадіях кругового процесу ніде не допускається зіткнення тіл з різною температурою, тобто немає необоротних процесів теплопровідності. Весь цикл проводиться оборотно (нескінченно повільно).

Теплові машини Робота і ККД циклу Карно