2018-03-09
131
Принципиальная схема тепловой машины приведена на рис.2.6.
Рис. 2.6. Принципиальная схема тепловой машины
В приведенной принципиальной схеме:
· Рабочее тело, совершающее круговой процесс и обменивающееся энергией с другими телами – термодинамическая система.
· Нагреватель и холодильник – окружающая термодинамическую систему среда. Нагреватель и холодильник – термостаты - системы, обладающие столь большой теплоёмкостью, что подводимое к ним или отводимое от них тепло не меняет их температуру.
В тепловой машине периодически реализуется круговой термодинамический процесс – от нагревателя с температурой 
, за цикл отнимается количество теплоты 
, а холодильнику с более низкой температурой 
, за цикл передается количество теплоты 
. При этом рабочее тело совершает за цикл суммарную работу 
Рассмотренный круговой термодинамический процесс тепловой машины является равновесным и обратимым так как термодинамическая система возвращается из конечного состояния в начальное, и при этом во внешней среде не произойдет никаких изменений (температура нагревателя и холодильника не изменяется).
|
|
|
Циклом Карно называется цикл тепловой машины, которая связана только с двумя термостатами: нагревателем и холодильником. Цикл Карно состоит из двух равновесных изотермических процессов и двух равновесных адиабатических процессов (рис.2.7).
Рис. 2.7. Цикл Карно
В качестве рабочего тела используется идеальный газ.
1. На участке 1 → 2 газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты 
и целиком превращается в работу на этом участке.
2. Адиабата 2 → 3. В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на участке 2 → 3. При расширении газ совершает положительную работу, и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия.
3. Изотерма 3 → 4. Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты 
и совершает отрицательную работу.
Адиабата 4 → 1. Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу, а изменение внутренней энергии положительно. Газ нагревается до исходной температуры .
Термический коэффициент полезного действия цикла Карно:
(2.10)
|
|
|
Как следует из выражения (2.10), термический КПД цикла Карно не зависит от физико-химических свойств газа как рабочего тела, а определяется только разностью температур горячего и холодного источников теплоты.
Цикл Карно, был на всех стадиях проведен так, что не было необратимых процессов, (не было соприкосновения тел с разными температурами). Поэтому здесь самый большой КПД. Больше получить в принципе невозможно.
КПД цикла Карно меньше единицы, так как отношение 
Цикл Карно имеет максимально возможный термодинамический КПД, т.е. он является идеальным циклом работы тепловых двигателей. Однако осуществить на практике этот цикл не представляется возможным, так как невозможно реализовать изотермический процесс.
На тепловых электростанциях, для преобразования энергии топлива в механическую энергию вала электрического генератора, используется цикл Ренкина учитывающий изменение агрегатного состояния рабочего тела.
Термодинамический КПД цикла Ренкина ниже термодинамического КПД цикла Карно.
