Идеальный цикл Карно

Отец Сади Карно - известный французский генерал, "организатор побед Великой французской революции" Лазарь Никола Карно, инженер по образованию, проявлял большой интерес к науке и практического применения инженерных достижений. Он занимался анализом работы тепловых машин, и Сади Карно продолжил работу своего отца. Следуя теплороднои теории, С. Карно, однако, сумел получить результаты, до сих пор не потеряли и не потеряют своего значения для развития науки.

Во-первых, С. Карно ввел понятие циклического (кругового) процесса. Наблюдая за работой паровой машины, он обратил внимание на то, что используемая для перемещения цилиндра пара затем выпускается в среду с меньшей температурой, где она снова превращается в воду (конденсат), причем этот конденсат больше не используется. Уголовно обдумывает вопрос о возможности использования отработанного конденсата, то есть о возможности возврата конденсата в котел, где он снова нагреется, превратится в пар, который благодаря своему дальнейшему расширению снова выполнит работу над поршнем. Таким образом, вода будет проходить полный цикл - ряд процессов, в результате которых вернется в исходное состояние.

Другой важный шаг заключался в том, что Уголовно установил: подобный непрерывный циклический процесс возможно только при наличии двух нагревателей - нагревателя с высокой температурой, и холодильника с более низкой температурой. Кроме нагревателя и холодильника, необходимо рабочее тело. Рабочее тело, забирая в нагревателя количество теплоты выполнив работу, для восстановления своих исходных параметров (обеспечение непрерывности цикла) должно отдать некоторое количество теплоты холодильнике. Взяв за основу тепловодных теорию теплоты, Карно считал, что "падение теплороднои субстанции", обусловлено разницей температур нагревателя и холодильника, аналогичное падение воды с более высокого уровня на низкий. Так что работа зависит от перепада между температурами теплорода в нагревов и холодильнике.

Для характеристики тепловой машины Карно вводит понятие коэффициента полезного действия (КПД), который равен отношению работы, выполненной рабочим телом, к количеству теплоты взятой от нагревателя:

Основная задача, которую поставил перед собой цель Карно, состояла в определении параметров, от которых зависит КПД тепловой машины. При этом он продемонстрировал по-настоящему научно-теоретический подход, так как пытался определить КПД машины независимо от "какого механизма", "какого-то определенного агента", то есть предлагал рассмотреть идеальную тепловую машину. Особенностью этой идеальной машины было то, что все изменения в ней должны были происходить обратимым путем.

Оборотным называется процесс, который может идти как в прямом, так и в обратном направлении, и по возвращении системы в исходное состояние она (система) остается неизменной. Любой другой процесс называется необратимым. Оказывается, если исключить из рассмотрения явления, происходящие в микромире, то в природе абсолютно обратимых процессов не существует. Еще Лазар Карно обратил внимание на то, что для достижения высокого КПД при построении и эксплуатации механического устройства нужно свести к минимуму удары, трения, то есть, все процессы, приводящие к потере «живой силы». Сад и Уголовно обосновывает свою теорию, рассматривая процесс получения движения из тепла на основе общих соображений, пренебрегая различными несущественными факторами в функционировании машины. Он пытается определить, от чего зависит максимальный КПД машины. Поэтому и принимает для рассмотрения идеализированную машину, существенной особенностью процесса которой является циклический и обратимый характер. В качестве рабочего тела Карно использует воздух, чтобы избежать сложностей, связанных с изменением фазы - превращением воды в пар, а затем пары - на воду. Более того, Уголовно приходит к верному выводу: для повышения КПД надо избегать прямых контактов между нагревателем и холодильником, чтобы ни одно изменение температуры ни была обусловлена прямыми потоками тепла между двумя телами, которые имеют разную температуру. Эти потоки не выполняют никакой механической работы и приводят к снижению КПД.

Рассуждая подобным образом, Карно разделил цикл идеальной тепловой машины на четыре стадии (см, рис.).

1 стадия. Рабочее тело, температура которого равна температуре нагревателя контактирует с нагревателем и получает от него количество теплоты, которая полностью расходуется на работу, вызывает расширение рабочего тела. При этом полученная теплота не расходуется на увеличение внутренней энергии рабочего тела, не утрачивается зря вследствие равенства температур рабочего тела и нагревателя в начале цикла. Первая стадия цикла происходит при постоянной температуре Т. (изотермически).

2 стадия. Рабочее тело изолируется от источника, тепло не поступает и не выходит из системы. Иначе говоря, процесс на второй стадии протекает адиабатически, то есть без теплообмена. При этом рабочее тело продолжает расширяться, и работа, выполняемая для его расширения, происходит за счет резервов внутренней энергии рабочего тела. Внутренняя энергия рабочего тела при его расширении уменьшается, и рабочее тело охлаждается. Такое адиабатическое расширение рабочего тела продолжается до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой холодильника.

3 стадия. И вот здесь рабочее тело с температурой попадает в холодильник с такой же температурой. При этом рабочее тело отдает некоторое количество теплоты холодильнике, вследствие чего уменьшается объем рабочего тела, оно сжимается. Процесс сжатия рабочего тела необходим для обеспечения цикличности работы машины, так как при этом уменьшается объем рабочего тела. Заметим, что в на-Гривач на первом стадии рабочее тело поступало с меньшим объемом и только потом расширялось, выполняя работу.

4 стадия. И, наконец, на четвертой стадии рабочее тело адиабатически сжимается до первоначального объема. При этом его внутренняя энергия увеличивается. Процесс этот продолжается до тех пор, пока температура рабочего тела не сравнится с температурой нагревателя


Итак, цикл является обратимым. Две изотермические стадии (первая и третья) при постоянных температурах (соответственно, - на первой стадии и - на третьей стадии) связаны между собой двумя адиабатическими стадиями.

И хотя Сади Карно не определил величину КПД идеальной оборотной машины, и сама его книга "О движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу" содержит всего 45 страниц, основные принципы, которые автор изложил в этой работе, стали фундаментальным вкладом в становление и развитие термодинамики. Уголовно пришел к вполне верного выводу о том, что КПД идеальной машины зависит только от температур нагревателя и холодильника, а КПД любой другой машины будет всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.

Уже после смерти Сади Карно, в 1 850 рощ, Клаузиус разработал новый строго математическое описание цикла Карно с точки зрения сохранения энергии. Согласно первому закону термодинамики, количество теплоты, которое рабочее тело отдает холодильнике, должна быть меньше количества теплоты, взятой в нагревателя, на величину выполненной работы:

Напомним, что анализ Карно, основанный на представлениях о теплород, предполагает равенство, и

Клаузиус установил, что при работе тепловой машины не все количество теплоты, взятая в нагревателя, передается холодильнике. Часть этой теплоты превращается в работу, которую выполняет машина. Однако только первого начала термодинамики недостаточно для объяснения работы тепловой машины. Клаузиус доказал, что, обосновывая процесс преобразования теплоты на работу, следует прибегнуть еще к одному принципу, сформулированному Карно. Этот принцип утверждает, что при любом непрерывном процессе преобразования теплоты горячего нагревателя в работу обязательно должна происходить передача теплоты холодильнике. Таким образом, речь идет об общей свойство теплоты: теплота "всегда проявляет тенденцию к уравнивания температурной разницы путем передачи от теплых тел к холодным". С этим положением Клаузиуса мы уже ознакомились выше. Тот же Клаузиус получил выражение для КПД идеальной тепловой машины:

Он доказал, что КПД любой тепловой машины должен равняться КПД идеальной машины или быть меньше него:

Это утверждение является одним из формулировок II начала термодинамики. Итак,

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >