Идеальная тепловая машина Карно

Обратимый круговой процесс, называемый циклом Карно, состоит из двух равновесных изотермических и двух равновесных адиабатных расширений и сжатий. Идеальная тепловая машина Карно представляет собой цилиндр, заполненный рабочим телом (газом), который можно соединять с нагревателем, холодильником и теплоизолирующей подставкой.

Рис.4.3

Рассмотрим цикл Карно подробно. 1) Цилиндр с газом, нагретым до температуры нагревателя

, сжимают до объема

. Давление приобретает значение

(точка

на

диаграмме рис.4.3). Цилиндр ставят на нагреватель и дают возможность газу медленно, а, значит, обратимо, изотермически расшириться до объема

за счет тепла

, полученного от нагревателя. Положительная работа газа определяется площадью под изотермой

. 2) Горячий газ сразу не соединяют с холодильником, чтобы не было

необратимых потерь энергии на теплопроводность. Поэтому цилиндр снимают с нагревателя, ставят на теплоизолирующую подставку и предоставляют газу возможность адиабатно расшириться. При этом его температура понижается. Процесс прекращают, когда температура рабочего тела снизится до температуры холодильника , Кривая представляет процесс адиабатного расширения газа. Расширяющийся газ переместил поршень и совершил положительную работу , определяемую площадью под адиабатой . На этом заканчивается процесс расширения, в котором газ за счет тепла , полученного от нагревателя, и своей внутренней энергии совершил полезную работу .

3) Чтобы избежать необратимых потерь энергии на теплопроводность процесс сжатия газа тоже проводится в два этапа. Цилиндр с рабочим телом, охлажденным до температуры холодильника, ставят на холодильник и, сбрасывая бесконечно малыми порциями песок с полочек на столик, сжимают изотермически. При достижении газом состояния, изображаемого точкой , лежащей на одной адиабате с точкой , цилиндр снимают с холодильника. Теплота , в которую превратилась работа сжатия газа, передалась холодильнику. Кривая представляет процесс изотермического сжатия газа. Газ совершил отрицательную работу , определяемую площадью под изотермой .

4) Цилиндр с рабочим телом переносят на теплоизолирующую подставку, и,продолжая сбрасывать песок с полочек, проводятдальнейшее сжатие газа адиабатно. Температура газа повышается. Процесс прекращают, когда тело вернется в исходное состояние . Кривая представляет процесс адиабатного сжатия газа. Газ совершил отрицательную работу, определяемую площадью под адиабатой .