Круговые процессы (циклы). Цикл Карно

Газ, получая тепло и расширяясь, производит работу. Для непрерывного получения работы нужно, чтобы рабочее вещество все время возвращалось в исходное состояние и снова повторялся тот же процесс, т. е. чтобы процесс был круговым, циклическим. При этом какую-то работу надо совершать над газом, сжимая его в исходное состояние.

Простейшим будет цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Пусть газ расширяется из точки 1 (рис. 3.10, а) в точку 2 по изотерме. При изотермическом процессе не меняются температура и кинетическая энергия молекул. Следовательно, не меняется и внутренняя энергия, которая для идеального газа состоит только из кинетической энергии взаимного движения молекул. При этом в уравнении (3.29) ДU = 0, работа расширения газа ДА^Т > 0. К телу должно подводиться тепло от нагревателя Д<2^; = ДА^Т > 0, что условно показано стрелками на рисунке 3.10, а.

При расширении по адиабате из точки 2 в точку 3 обмен теплотой равен нулю и работа расширения ДА' производится за счет изменения внутренней энергии ДU (газ охлаждается, Т₃ < Г₂).

Рис. 3.10, а.

Далее, пусть внешние силы сжимают газ по изотерме 3 —> 4. Здесь опять AU = 0, и из (3.29) следует, что ДА¹ > 0, а ДА^Т < 0, AQ¹ 1, производя работу ДА" .

При возвращении газа в исходное состояние неизбежно выделяется тепло, и его приходится отводить в холодильник.

Это очень важное обстоятельство. Цикл не может быть осуществлен без отдачи части тепла более холодному телу.

После совершения цикла мы возвращаемся в исходное состояние с той же внутренней энергией. Следовательно, ДU = 0, а подведенное тепло AQ⁴", за вычетом отдаваемого холодильнику AQ^T_X, переходит в работу АА^Т.

Работа машины тем эффективнее, чем больше можно получить от нее работы А и чем меньше надо подводить тепла от нагревателя:

Эта величина называется коэффициентом полезного действия тепловой машины.

Пользуясь формулами (3.48), (3.35) и (3.29), можно получить для рассматриваемого цикла Карно.

Здесь эта формула приводится без вывода. Из (3.49) следует, что Т| тем больше, чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника.