Прямой цикл Карно

Для превращения теплоты в работу в непрерывно действующей машине нужно иметь тело, от которого можно было бы получить теплоту («горячий» источник); рабочее тело, совершающее термодинамический процесс, и тело, способное охлаждать рабочее тело, т.е. забирать от него теплоту, не превращенную в работу («холодный» источник).

Пусть имеется один «горячий» с температурой T₁и один «холодный» с температурой Т₂ источник теплоты, причем теплоемкость каждого из них столь велика, что отбор рабочим телом теплоты от одного источника и передача ее другому не меняет их температуры.

Для осуществления обратимого (состоящего только из равновесных процессов) цикла в поставленных условиях теплоту от горячего источника к рабочему телу нужно подводить изотермически. В любом другом случае температура рабочего тела будет меньше температуры источника Т₁, т.е. теплообмен между ними будет неравновесным. Равновесно охладить рабочее тело от температуры горячего Т₁ до температуры холодного источника Т₂, не отдавая теплоту другим телам, можно только путем адиабатного расширения с совершением работы. 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.

Рисунок – Прямой цикл Карно (основные закономерности превращения тепловой энергии в механическую).

 

Газ (рабочее тело) с начальными параметрами (т.а) помещен в цилиндр под поршень. Боковые стенки цилиндра и поршень абсолютно нетеплопроводны, теплота передаваться только через основание цилиндра.

Введем цилиндр в соприкосновение с горячим источником теплоты. Расширяясь изотермически при температуре T₁ от объема v_a до объема v_b, газ забирает от горячего источника теплоту q₁= Т₁ (s₂– s₁). В т.b подвод теплоты прекращаем, 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 Т₂.

Возвратим тело в начальное состояние. Для этого поместим цилиндр на холодный источник с температурой Т₂ и будем сжимать рабочее тело по изотерме cd, затрачивая работу и отводя при этом к нижнему источнику от рабочего тела теплоту q₂= Т₂(s₂ – s₁).

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 Т₁.

В результате цикла каждый килограмм газа получает от горячего источника теплоту q₁, отдает холодному теплоту q₂и совершает работу l_ц.

Следовательно, термический КПД цикла Карно определяется

. (3.3)

Увеличить КПД цикла можно либо за счет увеличения температуры горячего источника, либо за счет уменьшения температуры холодного.