КАРНО ЦИКЛ

Развитие термодинамики было в большой степени связано с анализом работы тепловых машин. Его осуществил в 1824 г. французский инженер С. Карно в книге «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу». Основная идея Карно состоит в том, что тепловая машина производит работу не за счет только поглощения тепла, а благодаря его передаче от источника тепла — нагревателя, находящегося при температуре Ti, к холодильнику, находящемуся при температуре 7*2< 7*1, т. е. от более нагретого тела к менее нагретому.

С. Карно впервые разработал метод циклов. Цикл — это последовательность процессов, которые возвращают в конечном счете всю систему участвующих в них тел в первоначальное состояние. Метод циклов оказал и продолжает оказывать большое влияние на развитие термодинамики.

Изменение состояния системы обычно характеризуют изменением трех основных параметров: температуры Т, давления р и объема V. Для одного моля идеального газа, как известно, выполняется уравнение рV = RT. Французский физид Б. Клапейрон в 1834 г. впервые предложил изображать на диаграмме с помощью этого уравнения процессы, составляющие цикл. Если по оси ординат такой диаграммы откладывать давление, а по оси абсцисс — объем, то площадь, заключенная внутри замкнутой кривой, характеризующей изменение состояния системы, будет представлять собой работу, произведенную системой в результате цикла (см. рис.). Коэффициент полезного действия (КПД) цикла равен отношению произведенной работы к затраченному теплу:

η = A/Q₁ = (Q₁-Q₂)/Q₁ = 1-Q₂/Q₁,

где Q₁ — тепло, поглощенное системой; Q₂ — выделенное тепло; А — произведенная работа, равная Q₁-Q₂ (согласно первому закону термодинамики).

Цикл Карно — обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу. Как видно на рисунке, он состоит из двух изотерм и двух адиабат. На первом этапе (1—2) цилиндр тепловой машины соединяют с нагревателем: газ в цилиндре получает тепло и, расширяясь при постоянной температуре T₁, совершает работу. На втором этапе (2—3) система адиабатически изолирована (не получает и не отдает тепла), газ продолжает расширяться. При таком адиабатическом расширении работа совершается за счет внутренней энергии системы, и температура падает до T₂. Начинается третий этап (3—4) — изотермическое сжатие: цилиндр соединяют с холодильником, которому газ отдает некоторое количество тепла и сжимается при постоянной температуре T₂. Наконец, на четвертом этапе газ адиабатически сжимается, температура растет до T₁, и система возвращается в исходное состояние.

Коэффициент полезного действия цикла Карно η = 1 — T₂/T₁ и не зависит от природы рабочего вещества в цилиндре. Не существует другого цикла при тех же температурах T₁ и T₂, который имел бы больший КПД.

Цикл Карно сыграл важную роль в развитии термодинамики (на его основе, в частности, сформулирован второй закон термодинамики) и теплотехники и до сих пор используется при анализе работы тепловых машин.