Термический КПД цикла Карно



Цикл Карно

В своём знаменитом сочинении Сади Карно обсудил принципы и предложил конструкцию теплового двигателя, который, должен обладать максимальной эффективностью преобразования теплоты в полезную работу. В современном изложении его рассуждения сводятся к следующему: в идеальной тепловой машине все необратимости должны быть исключены. Это возможно, если все трущиеся поверхности идеально смазаны, скорости движения рабочего тела малы, значит можно пренебречь внутренним трением, передача тепла от верхнего источника рабочему телу происходит при температуре рабочего тела мeньшей, но бесконечно близкой к температуре источника тепла, а передача тепла от рабочего тела к теплоприёмнику происходит при температуре рабочего тела бòльшей, но бесконечно близкой к температуре нижнего источника тепла. Изменение температуры рабочего тела, для исключения необратимого теплообмена, должно происходить адиабатически. Таким образом, приходим к идеальному циклу тепловой машины, известному под названием цикла Карнои состоящему из двух изотерм подвода и отвода тепла и двух адиабат. Относительно этого цикла формулируются две теоремы Карно:

I теорема Карно - термический КПД цикла Карно максимален по сравнению с термическим КПД любой другой тепловой машины, работающей в том же интервале температур; это следует из того, что все процессы в машине Карно обратимы, т.е. в ней отсутствует диссипация энергии.

II теорема Карно- термический КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а зависит только от значений температур верхнего и нижнего источников тепла. Мы не будем доказывать эту теорему, укажем лишь, что если бы КПД цикла Карно зависел от свойств рабочего тела, то можно было бы передавать тепло от холодного тела к более нагретому без затраты внешней работы, т.е. нарушался бы второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса.

Вторая теорема Карно позволяет вычислить термический кпд машины Карно, взяв в качестве рабочего тела идеальный газ. В координатах цикл такого двигателя, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, показан на рис. 3.2.

Здесь процесс 1–2 есть адиабатическое расширение со снижением температуры рабочего тела от температуры T1 верхнего источника тепла до температуры T2 нижнего источника, 2–3 – изотермическое сжатие с отводом тепла нижнему источнику с постоянной температурой T2, 3–4 – адиабатическое сжатие с повышением температуры от T2 до T1, 4–1 – изотермическое расширение с подводом теплоты к рабочему телу при постоянной температуре верхнего источника T1.

(3.9)

Полученная формула является чрезвычайно важной для анализа работы любого теплового двигателя, т.к. она определяет верхний предел совершенствования эффективности превращения теплоты в работу, т.е. неупорядоченной формы движения материи, каковой является теплота, в упорядоченную форму, например, механическое перемещение, электроэнергия и др.

Из определения термического КПД теплового двигателя (3.6) и выражения (3.9) для термического КПД цикла Карно получаем

(3.10)

Отношение количества теплоты в изотермическом процессе к абсолютной температуре этого процесса было названо приведенным теплом. В отношении цикла Карно можно сказать, что сумма приведённых теплот для него равна нулю.




Leave a Reply

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *



9 + 1 =