9.4. Цикл Карно.

• Круговые процессы или циклы — это процессы, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Если в результате процесса совершается положительная работа, цикл называется прямым (по часовой стрелке рис. 66), если отрицательная — обратным (против часовой стрелки рис. 67).

2.4.2. Принцип действия тепловых двигателей.

Т епловой двигатель превращает внутреннюю энергию топлива в механическую энергию (работу). Примеры: паровой, турбинный, двигатель внутреннего сгорания, двигатель Дизеля. Состоит из: нагревателя (котел, камера сгорания), холодильника (теплообменник, атмосфера), рабочего тела (газ, пар).

В рабочем цикле (рис. 83):

1. Рабочее тело получает от нагревателя теплоту Q₁ при температуре Т₁.

2. Рабочее тело, расширяясь, совершает работу А₁.

3. Для возвращения в начальное состояние, остаток теплоты Q₂ рабочее тело отдает холодильнику при температуре Т₂ < Т₁.

Внешние силы доводят температуру и давление рабочего тела до начальных значений, совершая работу .

• КПД теплового двигателя  определяется отношением полезной работы к затраченной энергии Q₁. Применяя для рабочего тела закон сохранения энергии, получаем,

, тогда

Тепловые двигатели с обратными циклами называются холодильниками. Для них и . Противоестественный ход тепла (от холодного к горячему) обеспечивается работой внешних сил.

• Ц икл Карно. Идеальный тепловой двигатель для построения рабочего цикла использует обратимые процессы. Например, цикл Карно состоит из двух изотерм (1–1^/ , 2–2^/) и двух адиабат (1^/–2, 2^/ –1), в которых теплота и изменение внутренней энергии полностью превращаются в работу (рис. 84).

Рассмотрим изменение энтропии рабочего тела. Общее изменение энтропии в цикле

Так как мы рассматриваем только обратимые процессы, общее изменение энтропии .

—изменение энтропии при изотермическом расширении 1–1^/. тело принимает теплоту.

— адиабатное расширение с охлаждением до температуры холодильника .

— изотермическое сжатие в контакте с холодильником. тело отдает теплоту.

— адиабатное сжатие до начального состояния . Общее изменение энтропии в равновесном цикле

. Поэтому,

— максимальный кпд теплового двигателя.

• Следствия:

1. КПД цикла Карно не зависит от рода рабочего тела.

2. КПД определяется только разницей температур нагревателя и холодильника.

3. КПД не может быть 100% даже у идеальной тепловой машины, так как при этом температура холодильника должна быть , что запрещено законами квантовой механики и третьим законом термодинамики.

4. Невозможно создать вечный двигатель второго рода, работающий в тепловом равновесии без перепада температур, т.е. при , так как в этом случае .

5. Тепловые двигатели повышают энтропию замкнутой системы.

61