Цикл Карно

В 1824 году французский инженер Сади Карно предложил цикл, дающий максимальное значение термического КПД. Он состоит из двух обратимых изотермических и двух обратимых адиабатных процессов.

Изотермический и адиабатный процессы являются самыми выгодными процессами в смысле получения работы, т.к. в изотермическом процессе вся теплота, подводимая к рабочему телу, превращается в работу, а адиабатный процесс протекает без теплообмена.

 

 

 

Процесс 1–2 представляет процесс изотермического расширения рабочего тела с подводом теплоты q₁ от источника теплоты с температурой Т₁. Количество теплоты q₁, равное работе l_1-2, полученной в процессе 1–2, определяется по формуле

Процесс 2–3 является процессом адиабатического расширения, следовательно, в нем не происходит обмена теплотой с окружающей средой (другими словами теплота рабочим телом не теряется).

В процессе 3–4 происходит изотермическое сжатие рабочего тела с отводом теплоты q₂ к низшему источнику теплоты с температурой T₂. На сжатие затрачивается работа l_3-4 (причем это работа минимальная), численно равная количеству отведенной теплоты q₂ и определяемая по формуле

.

В процессе адиабатного сжатия 4–1 газ нагревается до температуры Т₁. При этом потерь теплоты рабочим телом не происходит.

Коэффициент полезного действия любого цикла тепловой машины (в том числе и цикла Карно) определяют по формуле

.

.

Для адиабатных процессов 4-1 и 2-3 соотношение параметров в процессе:

процесс 4-1 - ;

процесс 2-3 - .

Следовательно

или .

Тогда термический КПД цикла Карно

.

Анализируя формулу КПД, можно сделать еще один важный вывод – коэффициент полезного действия Цикла Карно зависит лишь от температур верхнего и нижнего источников теплоты и, следовательно, не зависит от рода рабочего тела. Это утверждение является содержанием теоремы Карно.

 

Прямые циклы используются в тепловых двигателях. В обратном цикле все процессы совершаются в противоположном направлении, при этом от холодного источника с температурой отнимается теплота , на что затрачивается работа , которая превращается в теплоту и вместе с отнятой от холодного тела теплотой передается в количестве горячему источнику с температурой . Обратные циклы используются в холодильных установках. Эффективность холодильной установки определяется холодильным коэффициентом, представляющим собой отношение количества теплоты, отнятой за цикл от охлаждаемого объекта, к затраченной в цикле работе:

(4.6)

Для цикла Карно холодильный коэффициент составляет:

(4.7)