Цикл Карно

Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм (рис. 3 - 6).

На рис. 3-4 и 5-6 приведены два цикла работы тепловых машин: машины-двигателя и холодильной машины. Обе они работают в температурном перепаде Т₁ > Т₂, где Т₁ — температура высшего (горячего) источника теплоты и Т₂ — температура низшего (холодного) источника теплоты. При работе машины-двигателя (рис. 3-4 ) теплота q₁ от высшего источника теплоты подводится к рабочему телу в процессе изотермического расшире­ния 1-2. Затем происходит адиабатное расширение,при этом получается положительная работа l₁, определяемая площадью под кривой 1-2-3.

Затем рабочее тело возвращается в исходное состояние в процессе изотермно-адиабатного сжатия 3-4-1. Процесс сжатия на графике расположен под процессом расширения. Это значит, что процесс сжатия происходит при меньших температурах, чем процесс расширения, и с затратой работы l ₂, числен­но равной площади под кривой сжатия, и, как показывает опыт, с непременным отводом теплоты q₂ низшему источнику теплоты. В рассматриваемом случае l₁ > l ₂, поэтому работа цикла положи­тельна. Следовательно, в результате работы машины-двигателя полу­чена положительная работа, равная разности подведенной и отведен­ной в цикле теплоты, где l _ц = l₁ — l ₂ определяется площадью внутри цикла.

Количество подведенного тепла в изотермном процессе

Рис. 3	Рис. 4

,

количество отведенного тепла (абсолютное значение)

.

Работа цикла Карно

l_ц = q _ц = q₁ - q₂.

Рис. 5	Рис. 6

Термический к. п. д. цикла Карно

,

где Т₁ и Т₂ — соответственно температуры верхнего и нижнего источника тепла в °К.

Холодильная машина предназначена для создания в нужном месте температуры ниже температуры окружающей среды или для охлаждения некоторых тел ниже температуры окружающей среды. Охлаждаемым телом в такой машине является низший источник теплоты (рис. 5-6 ), окружающей средой — высший источник теплоты.

Чтобы поддерживать низкую температуру охлаждаемого тела, нужно непрерывно отводить от него теплоту q₂. Этот отвод в холодиль­ном цикле совершается в изотермическом процессе b - c расширения рабочего тела, которое эту теплоту воспринимает и совершает при этом положитель­ную работу l ₂ численно равную площади под изотермно – адиабатной кривой расширения а- b- c.

Возврат рабочего тела в исходное состояние происходит в процессе адиабатно- изотермного сжатия c - d - а, расположенном над процессом расширения, т. е. прохо­дящем при более высоких температурных условиях. Это обстоятельство дает возможность передавать отводимую от рабочего тела теплоту q₁ высшему источнику теплоты. На сжатие затрачивается внешняя работа l₁, опре­деляемая на графике площадью под кривой сжатия. Теплота q₁,передаваемая высшему источнику теплоты, складывается из теплоты q₂, отобранной у охлаждаемого тела, и работы цикла l _ц = l₁ - l ₂

В обоих циклах изменение внутренней энергии за цикл равно нулю.

Так как внешняя работа l₁ является отрицательной величиной и при этом по абсолютному значению больше l ₂, то l _{ц ц} < 0 и, следова­тельно, для непрерывной работы холодильной машины необходимо затрачивать внешнюю работу.

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно равен

.

Цикл Карно характеризует предельно достижимый в технике термический к. п. д.. Это является следствием того, что все процессы теплообмена протекают при постоянных температурах Т₁ и Т₂, т. е. максимально эффективны. В свою очередь это означает, что значения термического к. п. д. цикла Карно, его холодильного коэффициента и коэффициента теплоиспользования являются пределом, к которому следует стремиться. Поэтому термический к. п. д. цикла Карно используется в качестве эталона при оценке эффективности любого термодинамического цикла.