Цикл Карно и теоремы Карно

Французский инженер Сади Карно в 1824 г. опубликовал работу, в которой предложил цикл, дающий максимальное значение термического КПД цикла тепловой машины при данных значениях температур теплоотдатчика и теплоприемника. Это прямой обратимый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, изображенный в p, v- координатах на рис. 3.6 и получивший название цикла Карно.

Рис. 3.6. График цикла Карно				Рис. 3.7. Физическая картина явлений цикла Карно

Физическая картина явлений может быть представлена следующим образом (рис. 3.7). В точке А находится газ с давлением объемом υ _А и температурой Т ₁, равной температуре нагревателя, заключающего в себе большой запас энергии. Поршень двигателя под влиянием высокого давления начинает двигаться вправо, при этом внутреннее пространство цилиндра сообщено с нагревателем, поддерживающим в расширяющемся газе постоянную температуру Т ₁ посредством передачи ему соответствующего количества энергии в виде теплоты q ₁. Таким образом, расширение газа идет изотермически по кривой А-В. В точке В цилиндр изолируется от нагревателя, но газ продолжает расширяться, двигая поршень в том же направлении; процесс расширения идет без подвода теплоты, т.е. адиабатно (q = 0) по кривой В-С. В этом процессе в работу расширения превращается часть внутренней энергии газа и, следовательно, его температура понижается до значения Т₂, равного температуре охладителя. В этот момент поршень достигает своего крайнего правого положения.

Обратное движение поршня происходит под воздействием энергии, накопленной в маховике и передаваемой посредством кривошипно-шатунного механизма. Газ сжимается сначала изотермически по кривой C-D, для этого внутреннее пространство цилиндра сообщается с охладителем, поддерживающим температуру , а в точке D цилиндр изолируется от охладителя, и дальнейшее сжатие идет по адиабате D-A (q = 0). В этом процессе за счет работы сжатия внутренняя энергия газа повышается, поэтому его температура растет от Т ₁ до Т ₂. Сжатие заканчивается в точке A, где газ приходит к своему начальному состоянию. На этом цикл завершен и возможно его повторение.

Проследим процессы, протекающие в рабочем теле в этом цикле, считая рабочее тело идеальным газом.

Процесс А-В – изотермическое расширение газа при . Газ совершает работу расширения , эквивалентную площади под кривой этого процесса, за счет подвода к нему от теплоотдатчика теплоты, эквивалентной этой работе: .

Процесс В-С – адиабатное расширение газа (q = 0). Газ совершает работу расширения за счет убыли его внутренней энергии, при этом его температура снижается до значения .

Процесс C-D – изотермическое сжатие газа при . На сжатие газа затрачивается работа, эквивалентная площади под кривой этого процесса, а в теплоприемник отводится теплота , эквивалентная этой работе, в количестве:

.

Процесс D-A – адиабатное сжатие газа (q = 0). На сжатие газа затрачивается работа, эквивалентная площади под кривой этого процесса. При этом внутренняя энергия газа повышается, и он нагревается до температуры , возвращаясь в исходное состояние в точке А.