Цикл Карно. ККД теплових двигунів

Вперше найбільш досконалий циклічний процес був запропонований французьким фізиком і інженером Саді Карно в 1824 р Карно прожив коротке життя – всього 36 років, але залишив у науці яскравий слід і приклад плідної взаємного впливу науки і техніки. У своїй праці “Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу” Сади Карно заклав основи теорії теплових машин.
Розглянемо цикл Карно докладніше. Нехай газ, який займає об’єм V1 і має температуру Т1 (температура нагрівача), наводиться в тепловий контакт з нагрівачем і отримує можливість ізотермічні розширюватися і здійснювати роботу. Газ отримує при цьому від нагрівача деяку кількість теплоти Q1. Цей процес представлений на рис. 4.14а изотермой ab.
Далі газ повинен бути стиснутий, але, як вже було зазначено, при більш низькій температурі, тобто ізотерма стиснення повинна бути нижче ізотерми розширення. Тільки в цьому випадку робота розширення буде більше роботи стиснення. Але ми пам’ятаємо, що газ не слід охолоджувати зіткненням з більш холодним тілом, щоб виключити теплопередачу без здійснення роботи.
Сади Карно писав: “У тілах, що вживаються для розвитку рушійної сили тепла, не повинно бути жодної зміни температури, що відбувається, не від зміни обсягу”. Іншими словами, температура робочого тіла не повинна змінюватися без здійснення роботи. Отже, залишається єдина можливість – охолоджувати газ, надавши йому можливість адиабатически розширюватися. Тому ізотермічний процес розширення не доводять до кінця ходу поршня в циліндрі. Коли об’єм газу стає рівним, дно циліндра ізолюють від нагрівача; після цього газ адіабатно розширюється до об’єму, відповідного максимальному ходу поршня в циліндрі (рис. 4.14б, крива bc). При цьому газ охолоджується до температури Т2. Тепер охолоджений газ можна ізотермічні стискати при температурі Т2. Для цього його потрібно привести в контакт з тілом, що має ту ж температуру Т2 (холодильник), і стискати газ зовнішньою силою. Однак у цьому процесі газ ніколи не повернеться в початковий стан – температура його Т2 буде весь час нижче Т1. Тому ізотермічне стискання доводять до деякого проміжного обсягу (рис. 4.14в, крива cd). У процесі ізотермічного стиснення газ віддає холодильнику деяку кількість теплоти Q2, рівне здійснюваної над ним роботі стиснення. Після цього газ піддають адіабатичному стиску, в ході якого його температура підвищується до значення Т1 (рис. 4.14г, крива da). Після завершення циклу газ повернувся в первісний стан (обсяг V1, температура Т1) і цикл можна повторити.
Отже, на ділянці abc газ здійснює роботу (A> 0), а на ділянці cda робота здійснюється над газом (A <0). На ділянках bc і da робота здійснюється тільки за рахунок зміни внутрішньої енергії газу. Так як, то і. Таким чином, повна робота за цикл визначається різницею робіт на ділянках ab і cd. Чисельно ця робота дорівнює площі фігури, обмеженої кривою циклу abcda.

У реальних двигунах не вдається здійснити цикл, що складається з ідеальних ізотерм і адіабати. Справа в тому, що процеси в двигунах відбуваються швидко, і изотермичности процесів порушується – зниження температури в результаті елементарного розширення “не встигає” скомпенсованого підвищенням температури за рахунок контакту з нагрівачем. Крім того, матеріали, з яких виготовляються стінки циліндра і поршень, не є ідеальними ізоляторами і з цієї причини порушується адіабатічность процесів. Тому к.к.д. реальних циклів завжди нижче, ніж к.к.д. ідеального циклу Карно.
Разом з тим розгляд ідеального циклу Карно має велике значення, оскільки вказує шляхи підвищення к.к.д. теплових двигунів. З формули (4.41) видно, що к.к.д. двигунів тим більше, чим вище температура нагрівача і чим нижче температура холодильника.
У сучасних двигунах к.к.д. зазвичай збільшують за рахунок підвищення температури нагрівача. У потужних парових турбінах в даний час використовується пар, температур

Посилання на основну публікацію