Идеальная машина и цикл Карно.

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот круговой процесс сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 1).

Диаграмма кругового движения в машине Карно. Рис. 1 Цикл Карно

Первый этап. Идеальный газ находится в цилиндре, закрытом поршнем. На первом этапе металлическая стенка цилиндра приводится в контакт с нагревателем. Поршню разрешается передвигаться настолько медленно, чтобы температура газа равнялась температуре нагревателя Т 1. Это изотермический процесс (рис. 2). Полученное тепло Q 1 превращается в работу A 1, равную площади под графиком. Рис. 2 Изотермический процесс

Второй этап. На втором этапе цилиндр изолируется от нагревателя, и газ продолжает адиабатически расширяться, производя работу A 2 (заштрихованная площадь на рис. 3). Поскольку притока тепла нет, работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела (газа) и его температура снижается от Т 1 до Т 2. Рис. 3 Адиабатический процесс

Третий этап. Далее, для того, чтобы выдвинутый поршень вернуть в первоначальное положение, на третьем этапе цилиндр вводится в контакт с находящимся при низкой температуре радиатором. Количество отданной теплоты Q 2 будет равно совершенной над поршнем работе А 3 (заштрихованная площадь на рис. 4). Газ при этом будет изотермически сжиматься при температуре Т 2. Рис. 4

Четвертый этап. Последняя стадия - вновь адиабатический процесс, когда над поршнем совершается работа А 4, полностью переходящая во внутреннюю энергию газа. Его температура при этом повышается от Т 2 до Т 1 (рис. 5). Последняя стадия - вновь адиабатический процесс, когда над поршнем совершается работа А 4, полностью переходящая во внутреннюю энергию газа. Его температура при этом повышается от Т 2 до Т 1 (рис. 5).

Коэффициент полезного действия. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя Т Н и холодильника Т Х :Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя Т Н и холодильника Т Х :

Работа идеальной машины Карно. А, определяемая площадью ограниченной диаграммой цикла Карно. За каждый цикл получается полезная работа А, определяемая площадью ограниченной диаграммой цикла Карно. Площадь, ограниченная диаграммой цикла, всегда равна полученной за один цикл механической энергии. Площадь, ограниченная диаграммой цикла, всегда равна полученной за один цикл механической энергии.

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.

Домашнее задание §