Цикл Карно

Цикл Карно - ідеальний термодинамічний цикл. Теплова машина Карно, що працює по цьому циклу, має максимальний ККД з усіх машин, у яких максимальна і мінімальна температури здійснюваного циклу збігаються відповідно з максимальною і мінімальною температурами циклу Карно. Складається з 2 адіабатичних та ізотермічних процесів 2.

Цикл Карно названий на честь французького військового інженера Саді Карно, який вперше його досліджував в 1824 році.

Одним з важливих властивостей циклу Карно є його оборотність: він може бути проведений як в прямому, так і в зворотному напрямку, при цьому ентропія адіабатично ізольованої (без теплообміну з навколишнім середовищем) системи не змінюється.

Опис циклу Карно

Цикл Карно в координатах P і V

Цикл Карно в координатах T і S

Нехай теплова машина складається з нагрівача з температурою TH, холодильника з температурою TX і робочого тіла.

Цикл Карно складається з чотирьох стадій:

Ізотермічний розширення (на малюнку - процес → Б). На початку процесу робоче тіло має температуру TH, тобто температуру нагрівача. Потім тіло приводиться в контакт з нагрівачем, який ізотермічно (при постійній температурі) передає йому кількість теплоти QH. При цьому об'єм робочого тіла збільшується.

Адіабатичне (ізоентропіческое) розширення (на малюнку - процес Б → В). Робоче тіло від'єднується від нагрівача і продовжує розширюватися без теплообміну з навколишнім середовищем. При цьому його температура зменшується до температури холодильника.

Ізотермічний стиснення (на малюнку - процес В → Г). Робоче тіло, що має до того часу температуру TX, приводиться в контакт з холодильником і починає ізотермічно стискатися, віддаючи холодильника кількість теплоти QX.

Адіабатичне (ізоентропіческое) стиснення (на малюнку - процес Г → А). Робоче тіло від'єднується від холодильника і стискається без теплообміну з навколишнім середовищем. При цьому його температура збільшується до температури нагрівача.

При ізотермічних процесах температура залишається постійною, при адіабатичних відсутній теплообмін, а отже, зберігається ентропія (оскільки при δQ = 0).

Тому цикл Карно зручно представити в координатах T і S (температура і ентропія).

Кількість теплоти, отримане робочим тілом від нагрівача при ізотермічному розширенні, так само

.

Аналогічно, при ізотермічному стисканні робоче тіло віддало холодильника

.

Звідси коефіцієнт корисної дії теплової машини Карно дорівнює

.

З останнього виразу видно, що ККД теплової машини Карно залежить тільки від температур нагрівача і холодильника. Крім того, з нього випливає, що ККД може становити 100% тільки в тому випадку, якщо температура холодильника дорівнює абсолютному нулю. Це неможливо, але не через недосяжність абсолютного нуля (це питання вирішується тільки третім початком термодинаміки, враховувати яке тут немає необхідності), а через те, що такий цикл або не можна замкнути, чи він вироджується в сукупність двох співпадаючих адіабати і ізотерм .

Тому максимальний ККД будь-якої теплової машини, буде менше або дорівнює ККД теплової машини Карно, що працює при тих же температурах нагрівача і холодильника. Наприклад, ККД ідеального циклу Стірлінга дорівнює ККД циклу Карно.