Карно цикл

Карно цикл
Термодинамические циклы
Статья является частью серии «Термодинамика».
Цикл Аткинсона
Цикл Брайтона/Джоуля
Цикл Гирна
Цикл Дизеля
Цикл Калины
Цикл Карно
Цикл Ленуара
Цикл Миллера
Цикл Отто
Цикл Ренкина
Цикл Стирлинга
Цикл Тринклера
Цикл Хамфри
Цикл Эрикссона
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадает соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно.

Цикл Карно назван в честь французского физика Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Содержание

Описание цикла Карно

Цикл Карно в координатах P и V
Цикл Карно в координатах T и S

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой TH, холодильника с температурой TX и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

  1. Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру TH, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передает ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается.
  2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
  3. Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX.
  4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остается постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия (поскольку \Delta S = \int_{1 \rightarrow 2} \frac{\delta Q}{T} = 0 при δQ = 0).

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).

КПД тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

\,\!Q_H = \int T dS = T_H(S_2-S_1) = T_H \Delta S.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику

\,\!Q_X = T_X(S_2-S_1) = T_X \Delta S.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

\,\!\eta = \frac{Q_H-Q_X}{Q_H} = \frac{T_H-T_X}{T_H}.

Из последнего выражения видно, что КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Можно показать, что КПД любой тепловой машины, работающей по циклу, отличному от цикла Карно, будет меньше КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника.

Связь между обратимостью цикла и КПД

Для того, чтобы цикл был обратимым, из него должна быть исключена передача тепла при наличии разности температур (так как такие процессы необратимы в силу постулата Томсона). Значит, передача тепла должна осуществляться в изотермическом процессе. Для того, чтобы менять температуру рабочего тела от температуры нагревателя до температуры холодильника и обратно, необходимо использовать адиабатические процессы (они идут без теплообмена и, значит, тоже не влияют на энтропию). Мы приходим к выводу, что любой обратимый цикл должен быть составлен из циклов Карно.

См. также

Литература


Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Карно цикл" в других словарях:

  • КАРНО ЦИКЛ — обратимый круговой процесс, в к ром совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). К. ц. состоит из последовательно чередующихся двух изотермич. и двух адиабатич. процессов, осуществляемых с рабочим телом (напр., паром). Впервые …   Физическая энциклопедия

  • Карно цикл — обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов; впервые рассмотрен Н. Л. С. Карно (1824) в связи с определением кпд тепловых машин. Кпд Карно цикла  η не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа… …   Энциклопедический словарь

  • КАРНО ЦИКЛ — обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов; впервые рассмотрен Н. Л. С. Карно (1824) в связи с определением кпд тепловых машин. Кпд Карно цикла ? не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т. п …   Большой Энциклопедический словарь

  • КАРНО ЦИКЛ — обратимый круговой процесс, представляющий идеальный рабочий цикл тепловой машины. К. ц. состоит из четырех частей: 1) изотермического расширения (см. ); 2) адиабатического расширения (см. ), при котором происходит охлаждение; 3) изотермического… …   Большая политехническая энциклопедия

  • КАРНО ЦИКЛ — [по имени франц. физика Н. Л. С. Карно (N. L. S. Carnot; 1796 1832)] обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотермических процессов и двух адиабатных процессов. На рис. изображён К. ц., совершаемый идеальным газом (р давление газа, V его… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • Карно цикл —         обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). К. ц. состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двух адиабатных процессов. Впервые рассмотрен французским учёным Н …   Большая советская энциклопедия

  • КАРНО ЦИКЛ — обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотермич. и двух адиабатич. процессов; впервые рассмотрен Н. Л. С. Карно (1824) в связи с определением кпд тепловых машин. Кпд К. ц. ц не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т. п.) и… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • КАРНО ТЕОРЕМА — теорема о макс. коэффициенте полезного действия тепловых двигателей (франц. физика Н. Л. С. Карно, N. L. S. Carnot; 1824): кпд h=(T1 T2)T1 Карно цикла максимален и не зависит от природы рабочего в ва и конструкции идеального теплового двигателя,… …   Физическая энциклопедия

  • ЦИКЛ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ — круговой процесс, осуществляемый термодинамич. системой. Изучаемые в термодинамике циклы представляют собой сочетания разл. термодинамич. процессов, и в первую очередь изотермич., адиабатич., изобарич., изохорических. К Ц. т., исследование к рых… …   Физическая энциклопедия

  • цикл термодинамический — совокупность термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело (пар, газ) возвращается в первоначальное состояние. Пример: идеальный Карно цикл. В так называемом прямом термодинамическом цикле часть теплоты, сообщаемой рабочему телу …   Энциклопедический словарь

Книги



Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»