13. Тепловая диаграмма

Тепловые диаграммы циклов представляют собой графическое изображение процессов, составляющих цикл. По таким диаграммам представляется возможным определить долю тепла, затрачиваемую на получение полезной работы и отдаваемую холодному источнику из общего его количества, идущего на один цикл, а также сопоставить между собой различные циклы с точки зрения эффективности превращения тепла в работу, так как площадь диаграммы, ограниченная процессами, составляющими цикл в TS координатах, эквивалентна теплу, участвующему в осуществлении этого цикла.

Для построения тепловых диаграмм циклов в TS координатах используют полученные расчетным путем индикаторные диаграммы (в pV координатах) того или иного цикла.

Характерные точки индикаторной диаграммы цикла наносят на универсальный планшет, на котором изображены зависимость энтропии газа от его температуры для различных, но постоянных давлений и объемов одного килограмма или моля газа.

На рис. 26.5 для сопоставления приведены наложенными одна на другую тепловые диаграммы идеальных циклов: Отто (быстрого сгорания) асг0b0 ,Дизеля (постепенного сгорания) асгдbд и Сабатэ (смешанный цикл) acz´zсbс.

Для обеспечения возможности совмещения диаграмм на одном чертеже и получения сопоставимых величин в расчетных диаграммах циклов приняты одинаковые степени сжатия ε, начальные объемы газов Va ,их температуры Та ,давления ра и количество тепла Q1 , подводимого на цикл.

На этом рисунке линия ас ,общая для всех циклов, представляет собой адиабаты сжатия всех циклов (так как начальное состояние газов и степени сжатия ε одинаковы по условию), линия cz0 — изохора подвода тепла в цикле Отто; линии cz´ и z´zc — соответственно изохора и изобара подвода тепла в цикле Сабатэ; линия czg — изобара подвода тепла в цикле Дизеля; линии z0b0 ,zДbД и zcbc — соответственно адиабаты расширения циклов Отто, Дизеля и Сабатэ и линии b0a, bДа и bса — изохоры отвода тепла этих циклов.

В термодинамике цикл Карно́ или процесс Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником.

Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году.

Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно.

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен