Прямой цикл Карно

Цикл, в результате которого получается положительная работа, называется прямым циклом (или циклом теплового двигателя). В нем работа расширения больше работы сжатия. Осуществление цикла Карно в тепловой машине можно представить следующим образом. Газ (рабочее тело) с начальными параметрами, характеризующимися точкой а, помещен в цилиндр под поршень. Боковые стенки цилиндра и поршень абсолютно нетеплопроводны, так что теплота может передаваться только через основание цилиндра.

Рис. 1.9. Прямой цикл Карно

Рис. 1.10. Прямой цикл Карно

в p,v – и T,s – координатах

Вводим цилиндр в соприкосновение с горячим источником теплоты. Расширяясь изотермически при температуре Т₁ от объема v_а до объема v_b, газ забирает от горячего источника теплоту . В точке b подвод теплоты прекращается и ставим цилиндр на теплоизолятор. Дальнейшее расширение рабочего тела происходит адиабатно. Работа расширения совершается при этом только за счет внутренней энергии, в результате чего температура газа падает до Т₂.

Теперь возвратим тело в начальное состояние. Для этого сначала поместим цилиндр на холодный источник с температурой Т₂ и будем сжимать рабочее тело по изотерме сd, совершая работу l₂. При этом отводим от рабочего тела теплоту . Затем снова поставим цилиндр на теплоизолятор и дальнейшее сжатие произведем в адиабатных условиях. Работа, затраченная на сжатие по линии da, идет на увеличение внутренней энергии, в результате чего температура газа увеличивается до Т₁.

Таким образом, в результате цикла каждый килограмм газа получает от горячего источника теплоту q₁, отдает холодному теплоту q₂ и совершает работу l_ц.

Подставив в формулу для термического КПД цикла, выражения для q₁ и q₂, получим, что термический КПД цикла Карно определяется формулой:

. (1.15)

Из формулы видно, что термический КПД цикла Карно зависит только от абсолютных температур горячего и холодного источников. Теплоту горячего источника можно было бы полностью превратить в работу ( ), лишь в случае, когда , либо . Оба значения температур недостижимы.

Если то . Это указывает на невозможность превращения теплоты в работу, если все тела системы имеют одинаковую температуру (тепловое равновесие).

В реальных двигателях цикл Карно не осуществляется вследствие практических трудностей. Он служит эталоном при оценке совершенства любых циклов тепловых двигателей.