2. Принцип дії теплових двигунів. Цикл Карно.

Запаси внутрішньої енергії в земній корі й океанах можна вважати практично необмеженими. Але володіти запасами енергії ще недостатньо, необхідно вміти за рахунок енергії приводити в рух верстати, засоби транспорту, машини, обертати ротори генераторів електричного струму тощо. Людству потрібні двигуни, тобто пристрої, здатні виконувати роботу. Більша частина двигунів на землі - теплові двигуни, тобто пристрої, які перетворюють внутрішню енергію палива в механічну енергію. Для того, щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків по два боки поршня двигуна або лопатей турбіни. Незважаючи на велику різноманітність видів теплових двигунів, усі вони мають загальний принцип дії. У роботі двигунів можна виділити такі загальні ознаки:

1) у будь-якому тепловому двигуні відбувається перетворення енергії палива в механічну енергію;

2) для роботи теплового двигуна потрібні нагрівник, холодильник і робоче тіло. У процесі роботи теплового двигуна робоче тіло забирає від нагрівника певну кількість теплоти Q₁ і перетворює частину цієї теплоти в механічну енергію, а неперетворену частину теплоти Q₂ передає холодильнику. За законом перетворення і збереження енергії Q₁ = Q₂ +  A;

3) робота будь-якого теплового двигуна полягає у повторюванні циклів зміни стану робочого тіла.

Розглянемо чотирикратний цикл роботи ідеального двигуна, який вперше відкрив С. Карно. Газ, поміщений в теплопровідний циліндр з рухомим поршнем, приведемо в контакт з нагрівником (рис.3.2.6), що має температуру T₁. При цьому газ, нагріваючись до T₁, буде ізотермічно розширюватись, переходячи із стану 1 в стан 2 (рис.3.2.7). У результаті газ отримає від нагрівника теплоту Q₁ і виконає проти зовнішніх сил роботу A_1,2 = Q₂. Після досягнення газом стану 2 перервемо контакт робочого тіла (газу) з нагрівником і помістимо циліндр в теплоізольовану адіабатну оболонку. Залишимо газу можливість додатково адіабатно розширитись до стану 3. При цьому:

- газ виконає проти зовнішніх сил роботу A_2,3 за рахунок своєї внутрішньої енергії U;

- температура газу знизиться від T₁ до T₂, оскільки його внутрішня енергія U зменшиться.

Після досягнення газом стану 3 приведемо його в контакт з холодильником, температура якого T₂. Газ ізотермічно стиснеться зовнішньою силою. Знову помістимо циліндр в теплоізольовану оболонку і газ, внаслідок адіабатного стиснення, набуде вихідного стану. Зобразимо ці процеси в координатах p, V. Цей цикл Карно буде складатися з двох ізотерм (1  2, 3  4) і двох адіабат (2  3, 4  1) (рис.3.2.7).

Робота, яку виконує газ, пропорційна площі фігури, обмеженої ізотермами і адіабатами. Такий цикл роботи теплового двигуна найвигідніший; його називають циклом Карно.

Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу в роботу зумовлено необоротністю теплових процесів у природі. Корисна робота, яку виконує двигун,

A' = |Q₁| - |Q ₂|, де Q₁ - кількість теплоти, яку отримало робоче тіло від нагрівника; Q₂ - кількість теплоти, віддана холодильнику.