Цикъл Карно. Газовете с цикъл на Карно

Най-ефективният цикъл на топлинния двигател е топлинният цикъл на Карно. Състои се от два изотермични и два адиабатни процеса. Вторият закон на термодинамиката установява, че не цялата топлина, подавана към топлинния двигател, може да се използва за извършване на работа. Ефективността на такъв двигател, който изпълнява цикъла на Карно, дава ограничителната стойност на тази част от него, която може да се използва за тези цели.

Няколко думи за обратимостта на физическите процеси

Физическият (и в по-тесен смисъл термодинамичен) процес в определена система от тела (включително твърди вещества, течности, газове) е обратим, ако е възможно след възстановяването му да се възстанови състоянието, в което системата е била преди това. Ако не може да се върне в първоначалното си състояние в края на процеса, то тогава е необратимо.

Обратими процеси не се срещат в природата. Това е идеализиран модел на реалността, един вид инструмент за неговото изследване във физиката. Пример за такъв процес е цикълът на Карно. Идеалният топлинен двигател е модел на истинска система, която изпълнява процес, наречен на френския физик Сади Карно, който го описва за първи път.

Какво причинява необратимост на процеса?

Факторите, които водят до това, включват:

• топлинните потоци от източника на топлина към потребителя при крайна температурна разлика между тях;
• неограничен газ;
• смесване на два газа;
• триене;
• прохода електрически ток чрез съпротива;
• нееластична деформация;
• химични реакции.

Процесът е необратим, ако има някой от тези фактори. Идеалният цикъл на Карно е обратим процес.

Вътрешно и външно обратими процеси

Когато се извършва процес, неговите фактори на необратимост могат да бъдат разположени в рамките на системата на самите органи, както и в нейната околност. Тя се нарича вътрешно обратима, ако системата може да бъде възстановена в същото състояние на равновесие, в което е било в началото. В същото време вътре в нея не може да има фактори на необратимост, докато процесът, който се разглежда, трае.

Ако факторите на необратимостта отсъстват извън границите на системата, то се нарича външно обратимо.

Процесът се нарича напълно обратим, ако той е вътрешно и външно обратим.

Какво представлява цикълът на Карно?

В този процес, реализиран с идеален топлинен двигател, работният флуид - нагряван газ - изпълнява механична работа поради топлината, получена от високотемпературния резервоар (нагревател), и също така отделя топлина на нискотемпературния резервоар (топлина).

Цикълът на Карно е един от най-известните обратими цикли. Той се състои от четири обратими процеси. И въпреки че такива цикли са недостижими на практика, те определят горните граници на реалните цикли. На теория е показано, че този пряк цикъл изпълнява с възможно най-висока ефективност преобразуването на топлинна енергия (топлина) в механична работа.

как перфектен газ цикълът на Карно?

Помислете за идеален топлинен двигател, съдържащ цилиндър с газ и бутало. Четирите обратими процеса на работния цикъл на такава машина са:

1. Обратимо изотермично разширение. В началото на процеса газът в цилиндъра има температура Т. Чрез стените на цилиндъра той контактува с нагревателя, който има безгранична разлика в температурата с газа. Следователно, няма съответстващ фактор на необратимост под формата на крайна температурна разлика и има обратим процес на пренос на топлина от нагревателя към работния флуид - газ. му вътрешна енергия расте, разширява се бавно, докато върши работата по движението на буталото и остава при постоянна температура Т. Общото количество топлина, предавано на газа от нагревателя по време на този процес, е равно на Q _H, но само част от него се преобразува в експлоатация.

2. Обратимо адиабатно разширение. Нагревателят се отстранява и газът, който изпълнява цикъла на Карно, бавно се разширява адиабатично (с постоянна ентропия) без топлообмен през стените на цилиндъра или буталото. Работата му върху движението на буталото води до намаляване на вътрешната енергия, което се отразява в понижение на температурата от T _H до T _L. Ако приемем, че буталото се движи без триене, тогава процесът е обратим.

3. Обратима изотермична компресия. Цилиндърът се поставя в контакт с хладилник с температура T _L. Буталото започва да отблъсква външната сила, която изпълнява работата по компресия на газ. В същото време температурата му остава равна на T _L и процесът, включващ пренос на топлина от газ към хладилник и компресия, остава обратим. Общото количество топлина, отделено от газа в хладилника, е Q _L.

4. Обратимо адиабатно компресиране. Хладилникът се отстранява и газът бавно се компресира допълнително адиабатно (с постоянна ентропия). Температурата му се повишава от T _L до T _N. Газът се връща в първоначалното си състояние, което завършва цикъла.

Принципи на Карно

Ако процесите, които съставят цикъла на Карно на топлинния двигател, са обратими, тогава той се нарича реверсивен топлинен двигател. В противен случай имаме нейната необратима опция. На практика, всички топлинни двигатели са такива, тъй като обратими процеси не съществува в природата.

Карно формулира принципите, които са следствие от втория закон на термодинамиката. Те се изразяват, както следва:

1. Ефективността на необратимия топлинен двигател винаги е по-малка от ефективността на реверсивен двигател, работещ от същите два резервоара за отопление.

2. Ефективността на всички реверсивни топлинни двигатели, работещи от същите два резервоара за отопление, са едни и същи.

Това означава, че ефективността на реверсивния топлинен двигател не зависи от използвания работен флуид, неговите свойства, продължителността на работния цикъл и типа на топлинния двигател. Това е функция само на температурата на резервоара:

η = 1 - Q _L / Q _Н = g (T _Н , T _L )

или

Q _H / Q _L = f (T _H , T _L ),

където Q _L е топлината, прехвърлена към нискотемпературния резервоар, който има температура T _L; Q _H - топлината, прехвърлена от високотемпературния резервоар, който има температура T _H; g, F - всякакви функции.

Карно топлинен двигател

Те наричат ​​такъв топлинен двигател, който работи на обратим цикъл на Карно. Термичната ефективност на всеки топлинен двигател, обратима или не, се определя като

η _th = 1 - Q _L / Q _H,

където Q _L и Q _H са количествата топлина, прехвърлени в цикъл в нискотемпературен резервоар при температура Т _L и от високотемпературен резервоар при температура ТН _, съответно. За реверсивни топлинни двигатели термичната ефективност може да бъде изразена чрез абсолютните температури на тези два резервоара:

η _th = 1 - T _L / T _H.

Ефективността на топлинния двигател на Карно е най-високата ефективност, която топлинният двигател може да достигне чрез работа между високотемпературен резервоар при температура T _H и нискотемпературен резервоар при температура T _L. Всички необратими топлинни двигатели, работещи между същите два резервоара, имат по-ниска ефективност.

Обратен процес

Въпросният цикъл е напълно обратим. Неговата възможност за охлаждане може да бъде постигната чрез обръщане на всички процеси, включени в него. В този случай, цикълът на Carnot се използва за създаване на температурни разлики, т.е. топлинна енергия. По време на обратния цикъл, количеството топлина Q _L газ получава от нискотемпературния резервоар, а количеството топлина Q _{H им} се дава в резервоара с висока температура. Енергия W _{нето, в която} се изисква да се изпълни един цикъл. Тя е равна на площта на фигурата, ограничена от две изотерми и две адиабати. На диаграмата по-долу са показани PV схеми на цикъла на предния и обратния Carnot.

Хладилник и термопомпа

Хладилник или термопомпа, която изпълнява обратен цикъл на Карно, се нарича хладилник Карно или термопомпа Карно.

Ефективност на реверсивен или необратим хладилник (η _R ) или топлинна помпа (η _HP) се определя като:

η _R = 1 / ((Q _H / Q _L ) - 1),

η _HP = 1 / (1- (Q _L / Q _H )),

където Q _Н е количеството топлина, изпуснато във високотемпературния резервоар;
Q _L - количеството топлина, получена от нискотемпературния резервоар.

За реверсивни хладилници или термопомпи, като хладилници Carnot или термопомпи Carnot, ефективността може да се изрази като абсолютни температури:

η _R = 1 / ((ТН / Т _L ) - 1),

η _НР = 1 / (1 - (Т _L / ТН)),

където T _N = абсолютна температура в резервоар с висока температура;
T _L = абсолютна температура в резервоара за ниска температура.

η _R (или η _HP ) са най-високата ефективност на хладилника (или термопомпата), която те могат да постигнат чрез работа между високотемпературен резервоар при температура T _H и нискотемпературен резервоар при температура T _L. Всички необратими хладилници или термопомпи, работещи между същите два резервоара, имат по-ниска ефективност.

Домашен хладилник

Основната идея за домашен хладилник е проста: използва изпарение на хладилния агент, за да абсорбира топлината от хладилното пространство в хладилника. Във всеки хладилник има четири основни части:

• Компресор.
• Тръбен радиатор извън хладилника.
• Разширителен вентил.
• Тръби за пренос на топлина в хладилника.

Обратен цикъл на Карно, когато хладилникът работи в следния ред:

• Адиабатна компресия. Компресорът компресира охлаждащите пари, увеличавайки тяхната температура и налягане.
• Изотермична компресия. Високотемпературните и компресорно-компресираните охладителни пари разсейват топлината в околната среда (резервоар с висока температура), тъй като тече през радиатора извън хладилника. Охлаждащата пара се кондензира (компресира) в течната фаза.
• Адиабатна експанзия. Течният хладилен агент преминава през разширителния вентил, за да намали налягането.
• Изотермично разширение. Студеният течен хладилен агент се изпарява, докато преминава през топлообменните тръби в хладилника. В процеса на изпаряване вътрешната му енергия нараства и този растеж се осигурява от отделянето на топлина от вътрешното пространство на хладилника (нискотемпературен резервоар), в резултат на което се охлажда. След това газът влиза в компресора, за да се свие отново. Обратният цикъл на Карно се повтаря.