Цикл Карно и его термодинамическое значение

Из всех идеальных циклов самым совершенным является цикл Карно, предложенный французским ученым Сади Карно в 1824 г. Он поставил перед собой задачу определить максимальное значение термического КПД прямого цикла. В результате проведенных исследований Карно предложил цикл, КПД которого имеет максимальное значение в заданных температурных границах, т.е. при определенных температурах подвода и отвода теплоты. Этот обратимый цикл состоит из четырех процессов: двух изотермических и двух адиабатных.

Рис.2 Цикл Карно на p-w- диаграмме

В начале процесса рабочее тело имеет параметры p₁, w₁, T₁ – точка 1. эта точка соответствует моменту начала подвода теплоты к рабочему телу и его изотермического расширения при температуре T₁, которое продолжается до точки 2. В процессе 1 – 2 к рабочему телу подводится температура q₁. Работе изотермического расширения соответствует площадь 1 – 2 – 6 – 8 – 1. В точке 2 подвод теплоты прекращается, и дальнейшее расширение рабочего тела осуществляется по адиабате 2 – 3 до тех пор, пока поршень в цилиндре, где происходят рассматриваемые процессы, не займет крайнее правое положение, которому по диаграмме соответствует точка 3. Работа адиабатного расширения определяется площадью 2 – 3 – 5 – 6 – 2. В точке 3 начинается процесс сжатия рабочего тела, сопровождающийся отводом теплоты q₂ при температуре Т₂. Работа этого изотермического процесса определяется площадью 3 – 4 – 7 – 5 – 3. В точке 4 отвод теплоты прекращается и дальнейший процесс сжатия 4 – 1 происходит по адиабате. Работе адиабатного сжатия соответствует площадь 4 – 1 – 8 – 7 – 4.

Таким образом, полезная работа цикла рассмотренных процессов определяется на p – w-диаграмме площадью 1 – 2 – 3 – 4 – 1, являющейся разностью площадей 1 – 2 – 3 – 5 – 8 – 1 и 3 – 4 – 1 – 8 – 5 – 3.

Термический КПД цикла Карно

.

В цикле Карно принято равенство отношений отдельных объемов

ω₂/ω₁ = ω₃/ω₄, с учетом которого

. (1.5)

Из формулы (1.5) можно сделать следующие выводы:

термический КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела и определяется только значениями абсолютных температур Т₁ и Т₂;

термический КПД цикла Карно возрастает с увеличением Т₁ и уменьшением Т₂;

термический КПД цикла Карно всегда меньше единицы, так как он был бы равен единице либо при Т₂ = 0, либо при Т₁ = ∞, что неосуществимо даже в идеальном цикле.

В реальных условиях создать двигатель, который работал бы в соответствии с циклом Карно, невозможно, так как процессы изотермического подвода и отвода теплоты, а также адиабатного расширения и сжатия практически неосуществимы.

Цикл Карно является эталоном, который дает представление о максимальном КПД процессов превращения теплоты в работу. В условиях реальных температур, верхний предел которых определяется прочностью материалов, а нижний соответствует температуре окружающей среды, термический КПД цикла Карно может достигать 0,7…0,8. Реальный тепловой двигатель тем совершеннее, чем ближе значение его КПД к КПД цикла Карно, протекающего в тех же температурных границах.

Как упоминалось ранее, цикл Карно может быть не только прямым, но и обратным. Обратный цикл Карно также является эталонным, но уже для работы холодильных установок. Холодильный коэффициент, определяющий эффективность их работы, тоже зависит от значений температур источника и стока теплоты: . (1.6)

Таким образом, экономичность холодильной установки определяется отношением отнятой теплоты к теплоте, эквивалентной затраченной работе.

Практическая работа № 6.

Тема: Циклы тепловых двигателей.

Цель работы: ознакомиться с процессами, происходящими в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания.

Ход работы:

8. Записать какие бывают циклы ДВС.

9. Зарисовать p-w- диаграмму, записать формулу термического КПД и дать определение цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме.

10. Зарисовать p-w- диаграмму, записать формулу термического КПД и дать определение цикла ДВС со смешанным подводом теплоты.

11. Вывод по работе.

Контрольные вопросы:

1. Какие бывают циклы ДВС?

2. Из каких процессов состоит цикл карбюраторного двигателя?

3. Как влияет степень сжатия на термический КПД цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме?