14 Цикл Карно и теорема Карно

При исследовании проблемы повышения КПД тепловых машин, Сади Карно в 1824 году был предложен идеальный обратимый цикл, носящий в настоящее время его имя.

На рис. показан идеальный обратимый цикл Карно в рабочей и тепловой диаграммах.

Рис. 4.3. Цикл Карно: а – изображение цикла Карно в рабочей “p-υ” диаграмме,

б – изображение цикла Карно в тепловой “T-s” диаграмме

Процессы, составляющие этот цикл, протекают следующим образом. Пусть теплоотдатчик имеет постоянную температуру T₁, а теплоприемник – постоянную температуру T₂ < T₁.

Считаем, что их размеры настолько велики, что подвод теплоты q_{1 цк} к рабочему телу и отвод от него теплоты q_{2 цк} на величину T₁ и T₂ не влияют. Рабочим телом является идеальный газ.

От исходного состояния А (рис. 4.3,а) рабочее тело расширяется изотермически (T₁ = const) до состояния В, получая от теплоотдатчика теплоту q_{1 цк}. Дальнейшее расширение происходит адиабатным процессом ВС до тех пор, пока температура рабочего тела не снизится до величины T₂. Для возвращения рабочего тела в исходное состояние осуществляется его сжатие в изотермическом процессе CD (T₂ = const). При этом в теплоприемник отводится теплота q_{2 цк}. Цикл замыкается адиабатным процессом сжатия DA, в котором рабочее тело возвращается в исходное состояние A с температурой T₁. Таким образом, цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатных процессов.

Заметим, что поскольку цикл обратим, то изотермические процессы подвода и отвода тепла должны происходить при бесконечно малой разнице между температурами теплоотдатчика (или теплоприемника) и рабочего тела. Это позволяет считать, что в процессе изотермического расширения температура рабочего тела равна температуре теплоотдатчика T₁, а в процессе изотермического сжатия – температуре теплоприемника T₂.

Термический КПД цикла Карно зависит только от температур теплоотдатчика (T₁) и теплоприёмника (T₂) и не зависит от свойств рабочего тела.