Вопрос о создании эффективной тепловой машины впервые поднял и решил французский ученый Н. Л. С. Карно. В работе «Рассуждение о движущей силе огня», опубликованной в 1824, он проанализировал работу идеальной тепловой машины (позже ее цикл назвали циклом Карно) и определил коэффициент ее полезного действия.
Карно доказал, что даже в идеальных условиях не может быть такой периодически действующей машины, которая, получая теплоту от нагревателя (более горячего тела), полностью превращала бы ее в механическую работу – обязательным условием в данном случае является передача части этой теплоты холодильнику (более холодному телу).
Схема Б. К. Млодзиевского
Рассмотрим подробнее цикл Карно на примере схемы Б. К. Млодзиевского. Рабочим телом в машине Карно является идеальный газ. Цикл осуществляется в цилиндре, стенки и поршень которого нетеплопроводные, дно цилиндра теплопроводное. Именно по дну цилиндра производится тепловой контакт газа с нагревателем и холодильником:
Последние являются телами очень большой теплоемкости, поэтому во время цикла их температура остается постоянной: нагревателя – T1 холодильника – T2. Дно цилиндра можно сделать нетеплопроводным, поставив цилиндр на адиабатическую подставку.
Описание цикла
Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов идеального газа:
Конечно, речь идет о равновесных процессах, которые, например, можно осуществить снятием песчинок с нагруженного поршня на боковые полки или переносом песчинок с полок на поршень (схема Б. К. Млодзиевского).
На участке 1-2 происходит изотермическое расширение газа. При этом цилиндр находится в контакте с нагревателем (схема а), с поршня песчинки переносятся на полку. Газ выполняет работу благодаря теплоте Q1, которую он получает от нагревателя (условия идеальные) на этом участке вся теплота превращается в механическую работу.
На участке 2-3 происходит адиабатическое расширение газа. Цилиндр находится на адиабатической подставке, песчинки переносятся с поршня на полку (схема б). Газ выполняет работу благодаря внутренней энергии, поэтому его температура снижается до Т2.
На участке 3-4 осуществляется изотермическое сжатие газа. Цилиндр находится в контакте с холодильником Т2, песчинки переносятся с полок на поршень (схема в). Работа выполняется над газом, газ передает количество теплоты Q2 холодильнику; поэтому температура газа остается неизменной – Т2.
На участке 4-1 осуществляется адиабатическое сжатие газа. Цилиндр находится на адиабатической подставке, песчинки переносятся с полок на поршень (схема г). Работа выполняется над газом, благодаря ей внутренняя энергия газа увеличивается, температура газа повышается от Т2 до T1. Газ переходит в исходное состояние.
Итак, работа, выполненная газом на участках 1-2 и 2-3, больше чем работа, затраченная на сжатие газа на участках 3-4 и 4-1.
Теплота, забранная у нагревателя, больше, чем отданная холодильнику. Разница Q1 - Q2 определяет то количество теплоты, которая превратилась в работу цикла. Признаком этой работы является песок, оставшийся на полках над поршнем.
Аналогично можно осуществить цикл Карно в обратном направлении: 1-4-3-2-1. В результате от холодильника было бы получена теплота Q2, а нагревателю передана теплота Q1 (Q1 > Q2). Благодаря работе, выполненной над газом, нагреватель получил бы теплоты на Q1 - Q2 больше, чем забрали от холодильника. Итак, теплоту также можно передавать от холодного к горячему телу, но для этого надо затрачивать определенную работу. На этом основывается работа холодильной машины.
После осуществления прямого и обратного циклов Карно в природе не осталось никаких следов (весь песок был бы на поршне, а полки были бы чистые). Цикл Карно является обратимым, то есть состоит из обратимых процессов.
Не знаете, сколько стоит статья по физике на заказ? Обратитесь к нашим экспертам!
Комментарии