2. Цикл Карно

Поняття про круговий процес (або цикл) теплового двигуна. Перетворення теплової енергії в механічну енергію (роботу) здійснюється в теплових двигунах, що вперше були винайдені в другій половині XVIII ст. Слід зазначити, що теоретичне обгрунтування роботи тепло­вих двигунів на основі законів і положень технічної термодинаміки і, зокрема, основних термодинамічних процесів було розроблене в результаті узагальнення досліджень роботи уже винайдених тепло­вих двигунів.

Треба також чітко знати, що жоден з основних термодинамічних процесів, взятий окремо, не може забезпечити практично роботу теплового двигуна, бо робоче тіло, здійснивши одноразове розши­рення, вичерпує свою роботоздатність, і двигун після цього спиняє­ться. Для забезпечення безперервності процесу перетворення тепла в роботу тепловий двигун повинен бути періодично діючою машиною, в якій після ,прямого процесу розширення повинен відбуватися зво­ротний процес — стиск робочого тіла.

Рис.26 - Тепловий двигун — Періодично діюча машина.

Такий замкнутий процес, що складається з ряду послідовних про­цесів, внаслідок яких робоче тіло після змін повертається в початковий стан, називається круговим процесом, або циклом.

Розглянемо схему періодично діючої машини — теплового дви­гуна. Робоче тіло — газ або пара — знаходиться в циліндрі з рухомим поршнем.

Роботу двигуна в загальних рисах можна уявити так. Тепло від верхнього джерела з температурою підводиться до робочого тіла і воно, розширюючись, переміщує поршень з положення у положен­ня. При цьому робоче тіло з початкового стану 1 переходить у кін­цевий стан 2. Процес розширення зображено на рv-діаграмі лінією 1 а 2, а одержана робота процесу розширення — площею 1 а 2 2' 1' 1. За рахунок затрати зовнішньої роботи здійснюється зворотне перемі­щення поршня з положення II у положення І. При цьому відбувається стиск робочого тіла й повернення його з кінцевого стану 2 в почат­ковий стан 1, з відведенням тепла від робочого тіла до нижнього джерела з температурою Т₂. Процес стиску зображено лінією 2 б 1, а затрачена зовнішня робота стиску — площею І 2б 11'2'2.

Так здійснено круговий процес, (цикл) 1 а 2 б 1.

Ясно, що для перетворення тепла в роботу потрібно, щоб лі­нія розширення циклу лежала вище лінії стиску. Такі цикли на­зиваються прямими. За прямимй циклами працюють теплові двигу­ни. Якщо лінія розширення ле­жить нижче лінії стиску, цикли називаються зворотними. У зворотних циклах, за якими працюють холодильники і компресори, підведена зовні робота перетворюється в тепло, що відводиться назовні.

3. Термічний ккд. Холодильний коефіцієнт

Термічний коефіцієнт корисної дії (к. к. д.) циклу. При здійсненні прямого циклу періодично діючого теплового двигуна до робочого тіла від верхнього джерела підводиться q₁ [Дж] тепла і відводиться від робочого тіла в нижнє джерело q₂ [Дж] тепла. Різниця q₁ - q₂=q₀ — це тепло, що перетворюється в роботу циклу, а тому нази­вається корисним теплом.

Досконалість періодично діючого теплового двигуна визначається відношенням корисного тепла q₀ до затраченого тепла q1 Це відно­шення називається термічним коефіцієнтом корисної дії (к.к.д.) Циклу

(8.3)

Цикл Карно для ідеального газу і його термічний к.к.д. У дослідженнях циклів великі заслуги належать французькому фізику Саді Карно.

Рис.27 - Цикл Карно — прямий (а) і зворотний (б).

Цикл Карно складається з двох ізотерм і двох адіабат і як прямий цикл ідеального теплового двигуна протікає в такій послідовності (рис.27, а).

Робоче тіло, що знаходиться в циліндрі з абсолютно нетеплопровідного матеріалу, може приєднуватись до безмежно великого верх­нього джерела тепла з абсолютною температурою Т₁ чи до безмежно великого нижнього джерела, тепла з абсолютною температурою Т₂ а також від'єднуватись від цих джерел у певні моменти.

Робоче тіло в початковому стані 1 (параметри p₁ v₁ Т₁) при поло­женні поршня І приєднується до верхнього джерела і розширюється ізотермічно (при сталій температурі Т1) до стану 2 (параметри р₂, v₂, Т₂) й положенні поршня II, сприймаючи від верхнього джерела тепло q₁

У положенні II робоче тіло від'єднується від верхнього джерела і продовжує розширюватись без теплообміну з навколишнім середо­вищем до приходу поршня в положення III, а робочого тіла в стан 3 (параметри p₃, v₃, Т₂).

У положенні III робоче тіло з'єднується з нижнім джерелом, а поршень рухається в зворотному напрямі до положення IV. При цьому здійснюється ізотермічний стиск з відведенням тепла q₂ від робочого тіла до нижнього джерела і зміна стану в точці 4 (параметри P₄, v₄, Т₂).

У положенні IV робоче тіло від'єднується від нижнього джерела і при русі поршня з положення IV в положення І продовжуеться стиск без теплообміну з навколишнім середовищем до повернені робочого тіла в початковий стан.

Цикл Карно зворотний, тобто він може відбуватись у зворотньому напрямі. При цьому затрачена робота перетворюється в тепло, що відводиться з нижнього джерела (з нижчою температрою) у верхнє джерело (з вищою температурою).

Слід зазначити, що цикл Карно — це цикл ідеальний , бо він складається з ідеальних нездійснимих процесів — ізотермічних та адіабатних, в яких тепло перетворюється в роботу найдосконаліше. Цикл, що протікає в зворотному напрямку, тобто проти ходу годинникової стрілки, називається зворотним

За зворотним циклом працюють холодильні машини. У цих машинах бажано, щоб при мінімальній витраті зовнішньої роботи кількість теплоти, що відводиться від менш нагрітого тіла до більш нагрітого, була якомога більша. Тому ефективність зворотного циклу оцінюється холодильним коефіцієнтом £х:

(8.4)