9.3 Карноның идеал жылулық машинасы

Карно циклі деп тепе-теңдіктегі екі изотермиялық және екі адиабаталық ұлғаюлар мен сығылулардан тұратын қайтымды дөңгелек процесті айтады. Карноның идеал жылулық машинасы жылуоқшаулағыш төсенішке орнатылған жұмыс денесімен (газбен) толтырылған цилиндрден, температурасы қыздырғыштан және температурасы суытқыштан тұрады. Карно цикліне талдау жасайық.

1) Күй параметрлері , және (9.2–сурет, диаграммадағы нүкте) цилиндр ішіндегі газдың көлемін цилиндрді қыздырғышқа қойып, одан алынған жылу есебінен -ге дейін өте баяу, изотермиялық әдіспен өсіреді.

2) Цилиндрді жылуоқшаулағыш төсенішке қойып, газды адиабаталық түрде ұлғайтады. Газ жұмысты ішкі энергия есебінен жасайтындықтан, оның температурасы суытқыштың температурасына дейін төмендейді. қисығы газдың адиабаталық ұлғаюын сипаттайды.

3) Газдың сығылу процесі де екі сатылы жүреді. Алдымен жұмыс денесі орналасқан цилиндрді суытқышпен жалғастырып, изотермиялық әдіспен сығады. Газ нүктемен белгіленген күйге жеткенде цилиндрді суытқыштан алып, жылуоқшаулағышқа қояды. Сығылу кезінде жасалған теріс жұмыс жылуға айналып, суытқышқа беріледі. қисығы газдың изотермиялық сығылуын сипаттайды. 4) Цилиндр жылуоқшаулағыш төсенішке қойылған соң, жұмыс денесін адиабаталық түрде одан әрі сығып, бастапқы күйге қайта алып келеді.

9.2 – сурет. Карно циклі

Бұл процесте газдың температурасы Т₂ – ден Т₁ – ге дейін өседі. қисығы газдың адиабаталық сығылу процесін сипаттайды. Температурасы қыздырғыштың бірдей болған газды қыздырғышпен қайта жалғап, циклді қайта бастайды.

Газдың бір циклде жасаған жұмысы 4.2 – суреттегі « » фигура ауданымен анықталады:

. (9.1)

9.4 Карно теоремасы

Жылулық қозғалтқыш циклінің үнемділігі жылулық пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК немесе ) арқылы сипатталады. Пайдалы әсер коэффициенті – бір циклде жасалған A жұмыс пен қыздырғыштан жұмыс денесіне берілген Q₁ жылу мөлшерінің қатынасына тең физикалық шама. Карно циклі бойынша жұмыс істейтін қозғалтқыш үшін ПӘК:

. (9.2)

Бірқатар түрлендіруден соң Карно қозғалтқышының ПӘК-ін келесі түрге келтіруге болады:

. (9.3)

Соңғы екі формуладан келесі қатынасты табамыз:

. (9.4)

Олай болса, болғанда ғана болады. Бірақ температураны абсолюттік нөлге дейін төмендету мүмкін емес. Бұл Нернст теоремасы дәлелдеген термодинамиканың үшінші бастамасы. Сондықтан, әрқашан болады. Карноның жылулық машинасы – идеал жылу машинасы. Мұндағы барлық процестер өте баяу өтетіндіктен, оларды қайтымды процесс деп қарастыруға болады. Температурасы әртүрлі денелер бір-бірінен оқшауланған. Сондықтан жылуөткізгіштік арқылы энергия жоғалмайды. Нақты машиналардың жұмыс жасауы кезінде энергияның қайтымсыз жоғалуы әрқашан қатар жүретіндіктен, олардың пайдалы әсер коэффициенті Карно машинасының пайдалы әсер коэффициентінен әрқашан аз болады:

(9.5)

Жоғарыда келтірілген түсіндірмелер негізінде үш ережеден тұратын Карно теоремасы тұжырымдалады:

1) Карно циклінің қыздырғыш мен суытқыштың температурасына ғана тәуелді;

2) жұмыс денесіне тәуелі емес (идеал газдың күй теңдеуі белгілі болғандықтан, ол үшін есептеу жеңіл);

3) қайтымды цикл бойынша жұмыс істейтін машиналар ПӘК-i қайтымсыз цикл бойынша жұмыс істейтін машиналардың ПӘК-iнен әрқашан артық болады:

.