Прямой цикл Карно

Термодинамическая схема теплового двигателя

Из первого закона термодинамики следует, что взаимное превращение теп­ловой и механической энергии в двигате­ле должно осуществляться в строго экви­валентных количествах. Двигатель, кото­рый позволял бы получать работу без энергетических затрат, называется веч­ным двигателем первого рода. Ясно, что такой двигатель невоз­можен, ибо он противоречит первому за­кону термодинамики. Поэтому первый закон можно сформулировать в виде сле­дующего утверждения: вечный двигатель первого рода невозможен. В 1755 г. французская Академия наук «раз и навсегда» объявила, что не будет больше принимать на рассмотрение ка­кие–либо проекты вечных двигателей.

Несмотря на эквивалентность тепло­ты и работы, процессы их взаимного пре­вращения неравнозначны. Опыт показы­вает, что механическая энергия может быть полностью превращена в теплоту, например, путем трения, однако теплоту полностью превратить в механическую энергию в периодически повторяющемся процессе нельзя. Многолетние попытки осуществить такой процесс не увенча­лись успехом. Это связано с существова­нием фундаментального закона природы, называемого вторым законом термодинамики. Чтобы выяснить его сущность, обратимся к принципиаль­ной схеме теплового двигателя (рисунке 5.2).

 

Рис. 5.2 – Термодинамическая схема теплового двигателя

Как показал опыт, все без исключе­ния тепловые двигатели должны иметь горячий источник теплоты, рабочее тело, совершающее замкнутый процесс – цикл, и холодный источник теплоты.

Практически в существующих тепло­вых двигателях горячими источниками служат химические реакции сжигания топлива или внутриядерные реакции, а в качестве холодного источника используется окружающая среда – ат­мосфера. В качестве рабочих тел, как отмечалось выше, применяются газы или пары.

Работа двигателя осуществляется следующим образом (рисунок 5.3). Расширяясь по линии 1B2, рабочее тело со­вершает работу, равную площади 1В22'1'. В непрерывно действующей теп­ловой машине этот процесс должен по­вторяться многократно. Для этого нужно уметь возвращать рабочее тело в исход­ное состояние. Такой переход можно осу­ществить в процессе 2В1, но при этом потребуется совершить над рабочим те­лом ту же самую работу. Ясно, что это не имеет смысла, так как суммарная рабо­та – работа цикла – окажется равной нулю.

Рис. 5.3 – Круговой процесс (цикл) в рv – и Тs – координатах

 

Для того чтобы двигатель непрерыв­но производил механическую энергию, работа расширения должна быть больше работы сжатия. Поэтому кривая сжатия 2А1 должна лежать ниже кривой расши­рения. Затраченная в процессе 2А1 рабо­та изображается площадью 2А11¹2¹. В результате каждый килограмм рабоче­го тела совершает за цикл полезную ра­боту l_Ц эквивалентную площади 1В2А1, ограниченной контуром цикла. Цикл можно разбить на два участка: А1В, на котором происходит подвод теплоты q₁, и В2А, на котором происходит отвод теп­лоты q₂ – В точках А и В нет ни подвода, ни отвода теплоты, и в этих точках поток теплоты меняет знак. Таким образом, для непрерывной работы двигателя не­обходим циклический процесс, в котором к рабочему телу от горячего источника подводится теплота q₁ и отводится от него к холодному теплота q₂ В Т,s – диаграмме теплота q₂ эквивалентна площа­ди А¹А1ВВ¹, a q₂ – площади А¹А2ВВ¹.

Применим первый закон термодина­мики к циклу, который совершает 1 кг рабочего тела:

.

Здесь означает интегрирование по за­мкнутому контуру 1B2A1.

Внутренняя энергия системы являет­ся функцией состояния. При возвраще­нии рабочего тела в исходное состояние она также приобретает исходное значение. Поэтому , и предыдущее вы­ражение превращается в равенство

q_ц = l_ц, (5.5)

где представляет собой ту часть теплоты горячего источника, которая превращена в работу. Это – теплота, по­лезно использованная в цикле, она равна разности теплот q₁ = q₂ и эквивалентна площади, ограниченной контуром цикла в Ts – диаграмме.

Отношение работы, производимой двигателем за цикл, к количеству тепло­ты, подведенной за этот цикл от горячего источника, называется термиче­ским коэффициентом полез­ного действия (КПД) цикла:

η_t = l_ц/q₁ = (q₁ – q₂)/ q₁. (5.6)

Коэффициент полезного действия оценивает степень совершенства цикла теплового двигателя. Чем больше КПД, тем большая часть подведенной теплоты превращается в работу.

Соотношение (5.5) является матема­тическим выражением принципа эквива­лентности тепловой и механической энергии.

Отметим, что если исключить из схе­мы теплового двигателя холодный источ­ник, то формально принцип эквивален­тности не будет нарушен. Однако, как показывает опыт и как следует из про­веденного выше анализа работы двигате­ля, такой двигатель работать не будет.

Тепловой двигатель без холодного источника теплоты, т.е. двигатель, пол­ностью превращающий в работу всю по­лученную от горячего источника теплоту, называется вечным двигателем второго рода.

Таким образом, второй закон термо­динамики можно сформулировать в виде следующего утверждения: «Вечный дви­гатель второго рода невозможен». В бо­лее расшифрованном виде эту формули­ровку в 1851 г. дал В. Томсон: «Невоз­можна периодически действующая теп­ловая машина, единственным результа­том действия которой было бы получение работы за счет отнятия теплоты от не­которого источника».

Итак, для превращения теплоты в работу в непрерывно действующей ма­шине нужно иметь по крайней мере тело или систему тел, от которых можно было бы получить теплоту (горячий источ­ник) рабочее тело, совершающее термо­динамический процесс, и тело, или систе­му тел, способную охлаждать рабочее тело, т. е. забирать от него теплоту, не превращенную в работу (холодный источник).

Рассмотрим простейший случай, ког­да имеется один горячий с температу­рой T₂ и один холодный с температурой Т₁ источники теплоты. Теплоемкость каждого из них столь велика, что отъем рабочим телом теплоты от одного источ­ника и передача ее другому практически не меняет их температуры. Хорошей ил­люстрацией могут служить земные недра в качестве горячего источника и атмос­фера в качестве холодного.

Единственная возможность осуще­ствления в этих условиях цикла, состоя­щего только из равновесных процессов, заключается в следующем. Теплоту от горячего источника к рабочему телу нужно подводить изотермически. В любом другом случае температура рабочего те­ла будет меньше температуры источника T₁, т. е. теплообмен между ними будет неравновесным. Равновесно охладить ра­бочее тело от температуры горячего до температуры холодного источника T₂, не отдавая теплоту другим телам (которых по условию нет), можно только путем адиабатного расширения с совершением работы. По тем же соображениям процесс теплоотдачи от рабочего тела к хо­лодному источнику тоже должен быть изотермическим, а процесс повышения температуры рабочего тела от Т₁ до Т₂ – адиабатным сжатием с затратой работы. Такой цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, носит название цикла Карно, поскольку именно с его по­мощью С. Карно в 1824 г. установил ос­новные законы превращения тепловой энергии в механическую.

Осуществление цикла Карно в тепло­вой машине можно представить следую­щим образом. Газ (рабочее тело) с на­чальными параметрами, характеризую­щимися точкой а (рисунок 5.4), помещен в цилиндр под поршень, причем боковые стенки цилиндра и поршень абсолютно нетеплопроводны, так что теплота может передаваться только через основание ци­линдра.

Рис. 5.4 – Прямой цикл Карно

 

Вводим цилиндр в соприкосновение с горячим источником теплоты. Расширя­ясь изотермически при температуре Т₁ от объема v_a до объема V_b, газ забирает от горючего источника теплоту q₁ = T₁ (S₂–S₁). В точке b подвод теплоты прекра­щаем и ставим цилиндр на теплоизолятор. Дальнейшее расширение рабочего тела происходит адиабатно. Работа рас­ширения совершается при этом только за счет внутренней энергии, в результате чего температура газа падает до T₂.

Теперь возвратим тело в начальное состояние. Для этого сначала поместим цилиндр на холодный источник с темпе­ратурой T₂ и будем сжимать рабочее тело по изотерме cd, совершая работу l₂ и отводя при этом к нижнему источнику от рабочего тела теплоту q₂ = T₂(s₂ – s₁). Затем снова поставим цилиндр на теплоизолятор и дальнейшее сжатие проведем в адиабатных условиях. Рабо­та, затраченная на сжатие по линии da, идет на увеличение внутренней энергии, в результате чего температура газа уве­личивается до T₁.

Таким образом, в результате цикла каждый килограмм газа получает от го­рячего источника теплоту q₁, отдает хо­лодному теплоту q₂ и совершает работу l_ц.

Подставив в формулу (5.6), спра­ведливую для любого цикла, выраже­ния для q₁ и q₂, получим, что терми­ческий КПД цикла Карно определяет­ся формулой

η_t= 1–T₂/T₁. (5.7)

Из нее видно, что термический КПД цикла Карно зависит только от абсолют­ных температур горячего и холодного источников. Увеличить КПД цикла мож­но либо за счет увеличения температуры горячего источника, либо за счет умень­шения температуры холодного, причем влияние температур Т₁ и T₂ на значение η_t различно:

dn_t/dT₁ = T₂/T_l

dn_t /dT₂=–1/T₁=–T₁/T₂

а так как Т₁ > Т₂, то ‌ |dη_t/dT₂| > |dη_t/dT₁|

Таким образом, увеличение темпера­туры горячего источника в меньшей сте­пени повышает КПД цикла Карно, чем такое же (в Кельвинах) уменьшение тем­пературы холодного.

Являясь следствием второго закона термодинамики, формула для КПД цик­ла Карно, естественно, отражает его со­держание. Из нее видно, что теплоту горячего источника можно было бы пол­ностью превратить в работу, т. е. полу­чить КПД цикла, равный единице, лишь в случае, когда T₁ → ∞ либо T₂ → 0. Оба значения температур недостижимы. (Недостижимость абсолютного нуля темпе­ратур следует из третьего начала термо­динамики).

При T₁ = T₂ термический КПД цикла равен нулю. Это указывает на невозмож­ность превращения теплоты в работу, если все тела системы имеют одинаковую температуру, т. е. находятся между со­бой в тепловом равновесии.

Для ориентировки приводим значе­ния термического КПД цикла Карно при различных температурах горячего источ­ника и при температуре холодного источ­ника, равной 10 °С.

t1
ηt	0,40	0,58	0,68	0,74	0.78	0,81	0,83	0,85

Приведенные цифры дают КПД идеального цикла. Коэффициент полезного действия реального теплового двигателя будет, конечно, ниже.