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.
Пользуясь формулами (23), (36) и (38), можно получить для рассматриваемого цикла Карно: (39).
Из (39) следует, что кпд η тем больше, чем выше температура нагревателя Т1 и чем ниже температура холодильника Т2.