|
В 1824 г. французский инженер С. Карно опубликовал работу, ставшую впоследствии основой теории тепловых двигателей. В этой работе Карно рассмотрел цикл теплового двигателя (на-званный впоследствии его именем), имеющий особое значение для термодинамики.
Цикл Карно осуществляется рабочим телом между двумя источни-ками теплоты — горячим и холодным — следующим образом. К рабочему телу, имеющему в начальной точке / цикла температуру , удельный объем vx и давление от горячего источника (его температуру обозначим Угорлст) подводится теплота, при этом Рабочее тело (газ) расширяется, совершая при этом работу (например, перемещая поршень в цилиндре). При этом процесс подвода теплоты к рабочему телу можно представить себе протекающим таким образом, что температура рабочего тела остается неизменной (т. е. уменьшение температуры газа при расширении компенсируется подводом теплоты извне). Иными словами, осуществляется изотермический процесс Theorist. После того как газ расширится до некоторого со-стояния , подвод теплоты к нему прекращается и дальнейшее расширение газа происходит без подвода теплоты, по адиабате. В процессе адиабатного расширения температура газа уменьшается, поскольку притока энергии к газу извне нет, и, следовательно, работа производится только за счет внутренней энергии газа*. После того как газ достигнет некоторого состояния 3 (температуру газа в этом состоянии обозначим), процесс расширения с производством работы заканчивается и рабочее тело начинает возвращаться в исходное состояние. За счет работы, отбираемой от какого-либо внешнего источника, осуществляется сжатие газа, в процессе которого от газа отво-дится теплота. Эта теплота передается холодному источнику с температурой Отвод теплоты осуществляется таким образом, что температура газа в процессе сжатия поддерживается постоянной, т. е. сжатие идет по изотерме. После того как состояние газа достигнет точки , лежащей на одной адиабате с исходной точкой цикла отвод теплоты прекращается. Дальнейшее сжатие газа продолжается по адиабате до тех пор, пока газ не возвратится в точку . Таким образом, цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат. Работа, производимая газом при расширении, изображается в р, о-диа-грамме площадью под линией 1-2-3; работа, затрачиваемая на сжатие газа, площадью под линией 3-4-1; полезная работа, отдаваемая внешнему потребителю за цикл — площадью 1-2-3-4-1.
Напомним, что количество теплоты, подводимой к рабочему телу от горячего источника, обозначается, а количество теплоты, отдаваемой рабочим телом холодному источнику, Q2. Поскольку подвод теплоты от горячего источника к рабочему телу в процессе 1-2 осуществляется при конечной разности температур Угорлст—Ти а отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику в процессе 3-4 — при конечной разности температур Т2—Ухоллст, эти процессы будут необратимы. Как было отмечено выше, необратимость процессов может быть уменьшена почти до нуля, если температура рабочего тела будет отличаться от температуры источника на бесконечно малое значение.
Таким образом, в изотермическом процессе 1-2 температура газа должна быть ниже температуры горячего источника на бесконечно малую величину dT, а в изотермическом процессе семпература газа должна быть выше температуры холодного источника на бесконечно малую величину dT.
Если выполнено это условие и если расширение газа в процессе 2-3 и его сжатие в процессе производятся без трения, то рассматриваемый цикл становится обратимым. В самом деле, рассмотрим цикл Карно, осуществляемый тем же самым рабочим телом между теми же источниками тепла в обратном направлении . Сжатый газ, состояние которого на р, у-диаграмме изображается точкой /, расширяется по адиабате 1-4, производя работу (перемещая поршень). Температура газа при' адиабатном расширении уменьшается. После того как в процессе адиабатного расширения газ достиг точки, в которой его температура на бесконечно малую величину ниже температуры холодного источник адиабатный процесс заканчивается. Затем осуществляется изотермическое расширение газа 4-3 , в процессе которого газ отбирает теплоту из холодного источника. Далее за счет работы, подводимой от какой-либо внешней машины, осуществляется процесс адиабатного сжатия газа до состоянжя, соответствующего точке 2. В процессе адиабатного сжатия температура газа повышается. Состояние 2 выбирается так, чтобы в нем температура газа (обозначим ее Ti) была на бесконечно малую величину выше температуры горячего источника
|
