Термодинамический цикл Карно

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис. 2.2.).

Рис. 2.2. Термодинамический цикл Карно

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ нагревают тепловым резервуаром с температурой T₁, подводя к газу некоторое количество теплоты Q₁. Газ изотермически расширяется, совершая работу A₁₂. На адиабатическом участке (2–3) газ помещают в адиабатическую оболочку, и он продолжает расширяться без теплообмена, совершая работу A₂₃ . При этом температура газа падает до значения T₂. На изотермическом участке (3–4) газ приводят в тепловой контакт с холодным резервуаром, и происходит его сжатие. При этом газ отдает тепло Q₂ , совершая отрицательную работу A₃₄ . На последнем участке адиабатического сжатия (4–1) газ вновь помещают в адиабатическую оболочку. При сжатии газа его температура повышается до значения T₁ и совершается отрицательная работа A₄₁. Полная работа газа за цикл равна сумме работ на отдельных участках:

A = A₁₂ + A₂₃ + A₃₄ + A₄₁ .

На диаграмме (P,V) эта работа равна площади цикла. Заметим, что в замкнутом цикле A₂₃ = – A₄₁. Тогда

A = A₁₂ + A₃₄ .

КПД цикла Карно представляет собой отношение теплоты, израсходованной на совершение работы, к подведенной теплоте:

.

Карно предложил выражать КПД цикла через температуры нагревателя и холодильника:

.

Цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при неизменных температурах нагревателя и холодильника, поскольку отсутствует теплообмен рабочего тела и окружающей среды при конечной разности их температур, когда тепло может передаваться без совершения работы. Заметим, что идеальное устройство, работающее по циклу Карно, является обратимой тепловой машиной, т.к. обход цикла против часовой стрелки будет соответствовать холодильной машине.

Один из самых распространенных тепловых двигателей – двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – работает по тому или иному термодинамическому циклу, соответствующему реальному циклу Карно. Существуют два типа ДВС – бензиновый и дизельный. Круговые термодинамические процессы изображаются на диаграмме (P,V) газообразного рабочего тела (смеси паров бензина или дизельного топлива с воздухом) с помощью замкнутых кривых (рис. 2.3).

Цикл карбюраторного бензинового двигателя состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). При расширении газ совершает положительную работу, равную площади под кривой 2–3, при сжатии – отрицательную работу, равную площади под кривой 4–1. Полная работа за цикл определяется разницей этих площадей.

Рис. 2.3. Термодинамические циклы карбюраторного

бензинового ДВС (1) и дизельного двигателя (2)

Дизельный двигатель работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Площадь внутри цикла отражает полную работу газа за цикл.

Реальный КПД карбюраторного двигателя порядка 30 %, дизельного – порядка 40 %.