Цикл Карно

Каждый процесс, в котором происходит расширение или сжатие газа, следует рассматривать как процесс перехода теплоты в механическую работу и во внутреннюю энергию. Для того чтобы тепловая машина работала непрерывно, необходимо последовательное сочетание нескольких процессов, в результате которых рабочее тело вернется в исходное состояние. Такое последовательное изменение состояний тела называется циклом. Различают прямые и обратные циклы.

Циклы, в которых тепло превращается в работу, называются прямыми, их совершают все тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания и др.). Принцип действия тепловой машины заключается в следующем. От термостата с более высокой температурой Т₁, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты, Q₁, а термостату с более низкой температурой Т₂, называемому холодильником, за цикл передается количествj теплоты Q₂, при этом совершается работа L=Q₁-Q₂.

Основываясь на втором законе термодинамики, Ленард Садди Карно в 1824 году теоретически показал, что цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, дает максимальное количество работы, получаемой из единицы теплоты. В последствие, такой цикл стали называть его именем – цикл Карно.

Обратными называют циклы, на осуществление которых расходуется механическая работа. Этот процесс не идет самопроизвольно и для его осуществления необходимо затратить определенное количество работы. По этому принципу и происходит работа холодильной машины, реализующая обратный цикл Карно, который в этом случае состоит из двух изотерм 4—1; 2—3 и двух адиабат 1—2; 3—4 (см. рисунок 42).

Рис 42. Обратный цикл Карно

В процессе 1-2 рабочее тело адиабатически (S=const) сжимается в результате его температура возрастает от Т₀ до Т. В процессе 2-3 осуществляется отвод тепла в окружающую среду при постоянной температуре Т, в результате энтропия понижается от S_a до S_b. Далее в процессе 3-4 рабочее тело адиабатически (S=const) расширяется в результате его температура понижается от Т до Т₀. В процессе 4-1 осуществляется подвод тепла от охлаждаемого объекта при постоянной температуре Т₀, в результате энтропия возрастает от S_b до S_a.

Из анализа данных приведенных на этом рисунке следует, что тепло, q₀ подведенное к рабочему телу от охлаждаемой среды, равно площади S_a -S_b – 1- 4 и для цикла Карно составляет:

(4.7)

где S_a и S_b - энтропия рабочего тела в начале и конце цикла.

Работа, затраченная на сжатие, в этом случае будет равна:

(4.8)

Общее количество тепла q_k, передаваемое во внешнюю среду в соответствие с законом сохранения энергии, составляет:

, (4.9)

Из рассмотрения обратимых циклов для преобразования теплоты в работу видно, что из всего количества подведенной (отведенной) теплоты в работу переходит только часть ее [L = (T-T₀) (S_a-S_b)], а остальное тепло, в количестве [q_o = Т₀ (S_a-S_b)] передается окружающей среде и поэтому не может быть превращено в работу.

Для цикла Карно работа, полученная в данном процессе, будет определяться из выражения:

, (4.10)

а величина термического коэффициента полезного действия:

, (4.11)

Из выражения (4.11) следует, что холодильный коэффициент обратимого цикла Карно не зависит от свойства рабочего тела и определяется только температурами условиями охлаждаемой среды T₀ и среды, которая воспринимает тепло Т.

В реальных холодильных машинах все процессы теплообмена, необратимы, поскольку они протекают только при наличии разности температур. Например, температура охлаждаемой среды (в камере) всегда должна быть выше рабочего тела, а температура охлаждающей среды (воды, воздуха на конденсаторе) всегда быть ниже температуры рабочего тела. Из-за этих потерь в машине возникают дополнительные затраты работы. В связи с этим холодильный коэффициент необратимого цикла всегда будет ниже коэффициента обратимого, так как, кроме преодоления разностей температур, необходима дополнительная работа на преодоление сил трения в самой машине. Для оценки эффективности парокомпрессионных холодильных машин используется холодильный коэффициент:

, (4.12)

- представляет собой отношение количества тепла отведенного от охлаждаемого объекта q₀ к работе L затраченной на приведение холодильной машины в действие.