23. Тепловая машина. Цикл Карно.

Первое начало термодинамики допускает возможность преобразования подведенной к системе теплоты в работу, совершаемую этой системой над внешними телами. Поэто­му вполне естественен интерес к практическому созданию устройств, преобразующих тепло в механическую работу. Такие устройства получили название тепловых двигателей (машин). Многочисленные исследования показали, что в любом реально действующем тепловом двигателе только часть полученной от внешних тел теплоты может преобразо­ваться в работу, остальная же теплота должна переда­ваться другим телам. Таким образом, тепловая машина должна состоять из трех основных составных частей: нагревателя, который обеспе­чивает поступление теплоты Q₁ в двигатель, рабочего тела, в котором часть полученной теплоты непосредст­венно превращается в механиче­скую работу А, холодильника, который забира­ет у рабочего тела часть теплоты Q₂ (рис.23.1а)

Тепловая машина в процессе работы совершает многократный круговой процесс. Круговой процесс (цикл)– это совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. На диаграммах состояния круговые процессы изображаются замкнутыми линиями (рис.23.2). Прямым циклом называется круговой процесс, в котором система совершает положительную работу. Прямой цикл на графике р(V) описывается по часовой стрелке. Для того, чтобы система совершала за цикл положительную работу, надо чтобы расширение происходило при более высоких давлениях, чем сжатие.

П олезная работа , совершаемая за один цикл, численно равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла на графике р(V). Тепловая машина характеризуется коэффициентом полезного действия. К.п.д .() – это отношение совершаемой за цикл работы А к получаемой за цикл теплоте: (1)

Если при круговом процессе газ, расширяясь, совершает меньшую работу, чем та, которую производят внешние силы при его сжатии, то такой цикл носит название обратного. Машины, работающие по обратному циклу, носят название холодильных. В холодильных машинах процесс переноса теплоты от холодного тела к более горячему требует затраты работы внешних сил (А₂–А₁). На диаграмме обратный цикл изображается замкнутой кривой, проходимой против часовой стрелки. На рис. 23.1 б схематически представлен принцип действия холодильной машины.

Анализируя работу тепловых двигателей, Карно сделал два важных вывода.

1) КПД цикла, состоящего из обратимых процессов, все­гда больше КПД цикла, основанного на необратимых процессах при тех же условиях.

Если в результате какого-либо процесса система переходит из состояния А в другое состояние В и если возможно вернуть ее в исходное состояние А и притом так, чтобы во всех остальных телах не произошло никаких изменений, то этот процесс называется обратимым.

2) Наивыгоднейшим процессом является круговой процесс, состоящий из двух обратимых изотерм и двух обратимых адиабат, так как он характеризуется наибольшим коэффициентом полезного действия. Такой цикл получил название цикла Карно. Цикл Карно – прямой круговой процесс, при котором выполненная системой работа максимальна. Цикл состоит из двух изотермических (12 и 34) и двух адиабатических расширений и сжатий (23 и 41) (см. рис.23.3). Машина, совершающая цикл Карно, называется идеальной тепловой машиной. Его к.п.д.: (2)

Первая теорема Карно: коэффициент полезного действия цикла Карно не зависит от природы рабочего тела и является функцией только абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Вторая теорема Карно: любая тепловая машина, работающая при данных значениях температур нагревателя и холодильника, не может иметь большего КПД, чем машина, работающая по циклу Карно при тех же значениях температур нагревателя и холодильника.

.