Цикл Карно. Газ, що здійснює цикл Карно

Найбільш ефективним циклом теплового двигуна є тепловий цикл Карно. Він складається з двох ізотермічних і двох адиабатических процесів. Друге початок термодинаміки встановлює, що не вся поставляється в тепловий двигун теплота може бути використана для виконання роботи. ККД такого двигуна, що реалізує цикл Карно, дає граничне значення тієї її частини, яка може бути використана для цих цілей.

Кілька слів про оборотності фізичних процесів

Фізичний (а у вузькому сенсі термодинамічний процес у деякій системі тіл (включає тверді тіла, рідини, гази) є оборотним, якщо після того, як він був здійснений, можна відновити стан, у якому система перебувала до його початку. Якщо вона не може повернутися в початковий стан в кінці процесу, то він є незворотнім. Оборотні процеси не зустрічаються в природі. Це ідеалізована модель реальності, своєрідний інструмент її дослідження у фізиці. Прикладом такого процесу є цикл Карно. Ідеальна теплова машина - це модель реальної системи, що реалізує процес, що носить ім'я французького фізика Саді Карно, який вперше описав.

Що викликає незворотність процесів?

Фактори, які призводять до неї, включають в себе:

теплові потоки від джерела тепла до споживача при кінцевої різниці температур між ними;

необмежене розширення газу;

змішування двох газів;

тертя;

проходження електричного струму через опір;

непружна деформація;

хімічні реакції.

Процес незворотній, якщо в наявності будь-якої з цих чинників. Ідеальний цикл Карно є оборотним процесом.

Внутрішньо і зовні оборотні процеси

Коли процес здійснюється, фактори його незворотності можуть перебувати в рамках самої системи тіл, а також в її околиці. Він називається внутрішньо оборотним, якщо система може бути відновлена в те ж саме стан рівноваги, в якому вона перебувала до його початку. При цьому всередині неї не може бути факторів незворотності, поки триває розглянутий процес.




Якщо фактори незворотності відсутні за межами кордонів системи в процесі, то він називається зовні оборотним. Процес називається оборотним повністю, якщо він і внутрішньо, і зовні звернемо.

Що таке цикл Карно?

В цьому процесі, що реалізується ідеальним тепловим двигуном, робоче тіло - нагрітий газ - виконує механічну роботу за рахунок теплоти, одержуваної з високотемпературного теплового резервуара (нагрівача), а також віддає теплоту низькотемпературного теплового резервуара (холодильника). Цикл Карно є одним з найвідоміших оборотних циклів. Він складається з чотирьох оборотних процесів. І хоча подібні цикли недосяжні на практиці, але вони задають верхні межі продуктивності реальних циклів. В теорії показано, що даний прямий цикл здійснює з максимально можливою ефективністю перетворення теплової енергії (теплоти) в механічну роботу.

Як ідеальний газ, що здійснює цикл Карно?

Розглянемо ідеальний тепловий двигун, що містить циліндр з газом і поршнем. Чотирма оборотними процесами циклу роботи такої машини є: 1. Оборотне ізотермічне розширення. На початку процесу газ у циліндрі має температуру T H. Через стінки циліндра він контактує з нагрівачем, що має з газом нескінченно малу різницю температур. Отже, відповідний фактор незворотності у вигляді кінцевої різниці температур відсутній, і має місце зворотний процес теплопередачі від нагрівача до робочого тіла - газу. Його внутрішня енергія зростає, він розширюється повільно, виконуючи при цьому роботу по переміщенню поршня і залишаючись при постійній температурі T H . Загальна кількість теплоти, переданої газу нагрівачем під час цього процесу, дорівнює Q H, однак тільки частина її перетворюється в роботу. 2. Оборотне адиабатическое розширення. Нагрівач видаляють, і газ, здійснює цикл Карно, повільно розширюється далі адіабатичним чином (з незмінною ентропією) без теплообміну через стінки циліндра або поршень. Його робота по переміщенню поршня призводить до зменшення внутрішньої енергії, що виражається в зниженні температури від T H до T L . Якщо припустити, що поршень рухається без тертя, то процес є оборотним. 3. Оборотне ізотермічне стиснення. Циліндр, що приводиться в контакт з холодильником, має температуру Т L . Поршень починає штовхати назад зовнішня сила, яка виконує роботу за стиску газу. При цьому його температура залишається рівною Т L, а процес, що включає теплопередачу від газу до холодильника і стиснення, залишається оборотним. Загальна кількість теплоти, що відводиться від газу в холодильник, дорівнює Q L . 4. Оборотне адиабатическое стиснення. Холодильник видаляється, і газ повільно стискається далі адіабатичним чином (при постійній ентропії). Його температура піднімається від T L до Т Н . Газ повертається в початковий стан, що завершує цикл.

Принципи Карно

Якщо процеси, які складають цикл Карно теплової машини, є оборотними, то вона носить найменування оборотної теплової машини. В іншому випадку маємо її незворотній варіант. На практиці всі теплові двигуни є такими, оскільки оборотних процесів не існує в природі. Карно сформулював принципи, які є наслідком другого початку термодинаміки. Вони виражаються наступним чином: 1. ККД незворотного теплового двигуна завжди менше, ніж у оборотного, працюючого від тих же двох теплових резервуарів. 2. ККД всіх оборотних теплових двигунів, що працюють від тих же двох теплових резервуарів, є однаковими. Тобто ККД оборотної теплової машини не залежить від використовуваного робочого тіла, його властивостей, тривалості циклу роботи і типу теплового двигуна. Він є функцією тільки температури резервуарів: = 1 - Q L /Q Н = g (Т Н , T L ) або Q H /Q L = f (T H ,T L ), де Q L - теплота, передана низькотемпературного резервуару, який має температуру T L; Q H - теплота, що передається від високотемпературного резервуара, який має температуру Т H; g, F - будь-які функції.

Тепловий двигун Карно

Їм називається така теплова машина, яка працює на оборотному циклі Карно. Тепловий ККД будь-якої теплової машини, оборотної чи ні, визначається як th = 1 - Q L /Q H, де Q L і Q H є кількостями теплоти, що передаються у циклі низькотемпературного резервуару при температурі Т L і від високотемпературного резервуара при температурі Т Н відповідно. Для оборотних теплових машин тепловий ККД може бути виражений через абсолютні температури цих двох резервуарів: th = 1 - T L /T H. ККД теплового двигуна Карно є самим високим ККД, якого може досягати тепловий двигун, працюючи між високотемпературним резервуаром при температурі Т Н і низькотемпературним резервуаром при температурі Т L . Всі необоротні теплові двигуни, що працюють між тими ж двома резервуарами, мають низький ККД.

Зворотний процес

Розглянутий цикл є повністю оборотним. Його холодильний варіант може бути досягнутий, якщо реверсувати всі процеси, що входять в нього. При цьому робота циклу Карно використовується для створення різниці температур, тобто теплової енергії. Під час зворотного циклу кількість теплоти Q L газ отримує з низькотемпературного резервуара, а кількість теплоти Q H віддається їм у високотемпературний тепловий резервуар. Енергія W net,in потрібно, щоб виконати цикл. Вона дорівнює площі фігури, обмеженої двома ізотермами і двома адиабатами. PV-діаграмі прямого і зворотного циклу Карно показані на малюнку нижче.

Холодильник і тепловий насос

Холодильник або тепловий насос, що реалізує зворотний цикл Карно, називається холодильником Карно або тепловим насосом Карно. ККД оборотного або незворотного холодильника ( R ) або теплового насоса ( HP) визначається як: R = 1/((Q H /Q L ) - 1), HP = 1/(1-(Q L /Q H )), де Q Н - кількість теплоти, що відводиться в високотемпературної резервуар;
Q L - кількість тепла, що отримується з низькотемпературного резервуара. Для оборотних холодильників або теплових насосів, таких як холодильники Карно або теплові насоси Карно, ККД може бути виражений через абсолютні температури: R = 1/((T H /T L ) - 1), HP = 1/(1 - (T L /T H )), де Т Н = абсолютна температура в високотемпературному резервуарі;
T L = абсолютна температура в низькотемпературному резервуарі. R (або HP ) є самими високими ККД холодильника (або теплового насоса), які вони можуть досягати, працюючи між високотемпературним резервуаром при температурі T H і низькотемпературним резервуаром при температурі Т L . Всі необоротні холодильники або теплові насоси, що працюють між тими ж двома резервуарами, мають більш низькі ККД.

Побутовий холодильник

Основна ідея домашнього холодильника проста: він використовує випаровування хладагента для поглинання тепла від охолоджуваного простору в холодильнику. Є чотири основні частини в будь-якому холодильнику:

Компресор.

Трубчастий радіатор поза холодильника.

Розширювальний клапан.

Теплообмінні труби всередині холодильника.

Зворотний цикл Карно під час роботи холодильника виконується в наступному порядку:

Адиабатическое стиснення. Компресор стискає пари хладагента, підвищуючи їх температуру і тиск.

Ізотермічне стиснення. Високотемпературний і стислий компресором пар холодоагенту розсіює тепло в навколишнє середовище (високотемпературний резервуар) при протіканні через радіатор поза холодильника. Пари хладагента конденсуються (стискаються) в рідку фазу.

Адиабатическое розширення. Рідкий холодоагент протікає через розширювальний клапан, щоб зменшити його тиск.

Ізотермічне розширення. Холодний рідкий холодоагент випаровується, коли він проходить через теплообмінні труби всередині холодильника. В процесі випаровування його внутрішня енергія зростає, і це зростання забезпечується відбором тепла від внутрішнього простору холодильника (низькотемпературний резервуар), в результаті чого воно охолоджується. Потім газ надходить у компресор для стиснення знову. Зворотний цикл Карно повторюється.