Круговые процессы (циклы). Обратимые и необратимые процессы. Примеры. Тепловая машина и ее КПД. Цикл Карно и его КПД

Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, назы­ваются тепловыми двигателями. Любой тепловойдвигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных эле­ментов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства (см. рис.).Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагре­вателя больше температуры холодильника. При со­вершении работы тепловыми двигателями происхо­дит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количе­ство теплоты Q_Н от нагревателя, совершает работу A' и передает холодильнику количество теплоты Q_Х. В соответствии с законом сохранения энергии А' < Q_Н - Q_Х. В случае равенства речь идет об иде­альном двигателе, в котором нет потерь энергии.Отношение работы к энергии, которое получи­ло рабочее тело от нагревателя, называют коэффици­ентом полезного действия (КПД) h = = = ; h < 1, так как Q_Х ¹0.Паровая или газовая турбина, двигатель внут­реннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы много­численных тепловых машин возникают тепловые по­тери, которые в конечном счете приводят к повыше­нию внутренней энергии атмосферы, т. е. к повыше­нию ее температуры. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному из­менению природных условий. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем по­вышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Рисунок 3.11.4.

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T ₁. Газ изотермически расширяется, совершая работу A ₁₂, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q ₁ = A ₁₂. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A ₂₃ > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T ₂. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T ₂ < T ₁. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A ₃₄ < 0 и отдает тепло Q ₂ < 0, равное произведенной работе A ₃₄. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T ₁, газ совершает работу A ₄₁ < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:

A = A ₁₂ + A ₂₃ + A ₃₄ + A ₄₁
На диаграмме (p, V) эта работа равна площади цикла. Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли Δ U его внутренней энергии. Для одного моля газа

A = –Δ U = – C_V (T ₂ – T ₁),
где T ₁ и T ₂ – начальная и конечная температуры газа.

Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам

A ₂₃ = – A ₄₁
По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T ₁ и холодильника T ₂:

Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника: η_Карно = η_max