5.3 Прямой цикл Карно

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	200	400	600	800	1000	1200	1400	1600
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.