Цикл Карно

Если система находится в состоянии теплового равновесия, то работа не может быть совершена. Для совершения работы необходимо иметь две системы в различном тепловом состоянии (например, тела с разными температурами) и рабочее тело, например, цилиндр с поршнем. При этом, с целью экономии энергии (повышения КПД устройства по трансформации тепловой энергии в механическую) нельзя допускать прямого контакта этих систем.

Цикл Карно обеспечивает наиболее экономную трансформацию тепловой энергии в механическую. Он реализуется путем реализации изотермических и адиабатических процессов.

Представим систему, состоящую из нагревателя, холодильника и рабочего тела (пусть это будет цилиндр с поршнем). Будем совершать действия в следующей последовательности, а реализуемые при этом процессы, изображать на ()-диаграмме (см. рис. 9.2):

1. 1. соединим рабочее тело с нагревателем и будем изотермически расширять газ в рабочем теле. На ()-диаграмме это соответствует кривой ,

2. отсоединим рабочее тело от нагревателя и продолжим расширение адиабатически – кривая ,

3. 3. соединим рабочее тело с холодильником и начнем изотермическое сжатие газа – кривая ,

4. отсоединим холодильник и продолжим сжатие адиабатически, таким образом, чтобы вернуться к начальному положению, в точку - кривая .

Итак, произведен замкнутый цикл, который называется циклом Карно. При этом, как мы знаем, совершена работа, определяемая площадью цикла, изображенного на -диаграмме.

Представленный процесс показывает, что с помощью двух систем не находящихся в тепловом равновесии может быть совершена работа, которая не зависит от свойств рабочего тела.

Отношение произведенной работы к количеству энергии, взятой у более нагретого тела, называется коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины . КПД цикла Карно является максимально возможным их известных. Можно показать, что:

,

где - температуры холодильника и нагревателя соответственно.

Обычно, в качестве холодильника (охладителя) используется окружающая среда, поэтому КПД определяется температурой нагревателя, чем больше , тем выше КПД.

У паровой машины он достаточно низкий, если использовать перегретый пар, то КПД возрастает, в бензиновом двигателе КПД более высокий и тем выше, чем выше октановое число.

Из формулы для КПД видно, что он не может быть равным единице.

Реальный КПД всегда ниже расчетного, т.к. всегда неизбежны потери тепла из-за несовершенства теплоизоляции.

Дата добавления: 2014-01-05