Прямой обратимый цикл Карно

При осуществлении обратимого произвольного цикла количество источников теплоты может быть уменьшено, если на отдельных уча­стках цикла теплота будет отводиться и подводиться при неизменной температуре, т. е. в изотермных про­цессах. Предельным случаем будет тот, когда вся теплота в цикле будет подводиться и отводиться в изотерм­ных процессах. В этом предельном случае потребуется всего два источни­ка теплоты постоянной температуры: один теплоотдатчик и один теплоприемник.

В этом цикле, предложенном в 1824 г. С. Карно и носящем его имя, тепло подводится и отводится по изотермам при температурах горячего источника тепла Т₁ и холодного теплоприёмника Т₂.

Диаграмма цикла в pυ – координатах приведена на рис. 7.2.

Рис. 7.2

В этом цикле рабочее тело сначала расширяется изотермически по линии 1-2, получая от горячего источника тепло q₁ при температуре Т₁, затем отключается от горячего источника и продолжает расширяться адиабатно по линии 2-3 с понижением температуры до Т₂.

После этого рабочее тело подключается к холодному теплоприёмнику и сжимается изотермически по линии 3-4, отдавая ему тепло q₂ при температуре Т₂. Затем оно отключается от теплоприёмника и продолжает сжиматься адиабатно по линии 4-1 с повышением температуры до Т₁, чем и завершается цикл.

На рис 7.3 приведён прямой цикл Карно в Тs – диаграмме. Величины энтропии рабочего тела в начале и конце процесса подвода тепла 1-2 соответственно равны s₁ и s₂.

Количество тепла, подводимого в цикле к рабочему телу, равно q₁=T₁∙(s₂-s₁), а количество отводимого тепла q₂=T₂(s₂-s₁).

Согласно определению для термического КПД

.

Подставляя в данное уравнение величины q₁ и q₂, получаем уравнение для термического к.п.д. прямого цикла Карно:

. (7.3)

Термический к. п. д. обратимого цикла Карно зависит только от абсолютных температур теплоотдатчика и теплоприемника. Он будет тем больше, чем выше температура теплоотдатчика и чем ниже тем­пература теплоприемника. Термический к.п.д. цикла Карно всегда меньше единицы, так как для получения к. п. д., равного единице необходимо, чтобы Т₂ = 0 или Т₁ = ∞, что неосуществимо. Термический КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела. Термический к. п. д. цикла Карно имеет наибольшее значение по сравнению с к. п. д. любого цикла, осуществляемого в одном и том же интервале температур. Поэтому сравнение термических к. п. д. любого цикла и цикла Карно позволяет делать заключение о степени совершенства использования теплоты в машине, работающей по данному циклу.

В реальных двигателях цикл Карно не осуществляется вследствие практических трудностей. Однако теоретическое и практи­ческое значение цикла Карно весьма велико. Он служит эталоном при оценке совершенства любых циклов тепловых двигателей.