Теплові двигуни. Термодинамічні цикли. Цикл Карно

Тепловим двигуном називається пристрій, який здатний перетворювати отриману кількість теплоти в механічну роботу. Механічна робота в теплових двигунах виробляється в процесі розширення деякої речовини, яка називається робочим тілом. Як робоче тіло, звичайно, використовуються газоподібні речовини (пари бензину, повітря, водяна пара). Робоче тіло одержує (або віддає) теплову енергію в процесі теплообміну з тілами, що мають великий запас внутрішньої енергії. Ці тіла називаються тепловими резервуарами.

Як випливає з першого закону термодинаміки, отримана газом кількість теплоти Q цілком перетворюється в роботу A при ізотермічному процесі, при якому внутрішня енергія залишається незмінною (ΔU = 0)

A = Q. (2.4.28)

Але такий одиничний акт перетворення теплоти в роботу не використовується в техніці. Теплові двигуни, що існують реально (парові машини, двигуни внутрішнього згоряння і т.д.), працюють циклічно. Процес теплопередачі й перетворення отриманої кількості теплоти в роботу періодично повторюється. Для цього робоче тіло повинне виконувати коловий процес або термодинамічний цикл, при якому періодично відновлюється вихідний стан. Колові процеси зображуються на (p, V) діаграмі газоподібного робочого тіла за допомогою замкнутих кривих (рис. 2.17).

Рис. 2.17

При розширенні газ виконує позитивну роботу A₁, рівну площі під кривою abc, при стиску газ виконує негативну роботу A₂, рівну за модулем площі під кривою cda. Повна робота за цикл A = A₁ + A₂ дорівнює на (p, V) діаграмі площі циклу. Робота A > 0, якщо цикл обходиться за годинниковою стрілкою, і A < 0, якщо цикл обходиться в протилежному напрямку.

Загальна властивість усіх кругових процесів полягає в тому, що їх неможливо провести, приводячи робоче тіло в тепловий контакт тільки з одним тепловим резервуаром. Їх потрібно, принаймні, два. Тепловий резервуар із більш високою температурою називають нагрівачем, а з більш низькою – холодильником. Виконуючи коловий процес, робоче тіло одержує від нагрівача деяку кількість теплоти Q₁ > 0 і віддає холодильнику кількість теплоти Q₂ < 0. Повна кількість теплоти Q, отримана робочим тілом за цикл, дорівнює

Q = Q₁ + Q₂ = Q₁ – |Q₂|. (2.4.29)

При обході циклу робоче тіло повертається в початковий стан, отже, зміна його внутрішньої енергії дорівнює нулю (ΔU = 0). Відповідно до першого закону термодинаміки

ΔU = Q – A = 0. (2.4.29)

Звідси випливає:

A = Q = Q₁ – |Q₂|. (2.4.30)

Робота A, виконана робочим тілом за цикл, дорівнює отриманій за цикл кількості теплоти Q. Відношення роботи A до кількості теплоти Q₁, отриманій робочим тілом за цикл від нагрівача, називається коефіцієнтом корисної дії η теплової машини

(2.4.31)