Круговые процессы (циклы). Цикл Карно

Газ, получая тепло и расширяясь, производит работу. Для непрерывного получения работы нужно, чтобы рабочее тело все время возвращалось в исходное состояние и снова повторялся тот же процесс, т. е. чтобы процесс был круговым, циклическим. При этом какую-то работу надо совершать над газом, сжимая его и возвращая в исходное состояние. Для того, чтобы тепловая машина совершала положительную работу необходимо, чтобы расширение газа происходило при более высоком давлении, чем сжатие. Это возможно, если при расширении в систему будет поступать энергия Q₁ извне, например, от нагревателя, а при сжатии энергия Q₂ должна быть отдана внешней среде – холодильнику.

После совершения цикла мы возвращаемся в исходное состояние с той же внутренней энергией. Следовательно, Δ U = 0, а подведенное тепло Q ₁, за вычетом отдаваемого холодильнику Q ₂, переходит в полезную работу A = Q₁– Q₂. Для оценки эффективности работы вводят коэффициент полезного действия (кпд) тепловой машины: (38).

Работа машины тем эффективнее, чем больше можно получить от нее работы A и чем меньше надо подводить тепла от нагревателя Q₁.

Как показал С.Карно, максимальный кпд получается для цикла, состоящего из двух изотерм и двух адиабат (т.н. цикл Карно) (рис.) Газ расширяется из точки 1 в точку 2 по изотерме при температуре Т₁. При этом в уравнении (19) Δ U = 0, работа расширения газа A > 0, т.е., к газу должна подводиться энергия от нагревателя Q₁ > 0.

При расширении по адиабате из точки 2 в точку 3 обмен теплотой равен нулю и работа расширения А производится за счет изменения внутренней энергии Δ U (газ охлаждается). Далее, внешние силы сжимают газ по изотерме 3 → 4 при температуре Т₂. Здесь опять Δ U = 0, и из (19) следует, что А < 0, Q₂ < 0. Чтобы произвести изотермическое сжатие, надо отводить тепло, отдавать его более холодному телу – холодильнику. Далее внешние силы сжимают газ по адиабате 4 → 1, возвращая газ в первоначальное состояние.