1.1 Карно цикл

Карно цикл, обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). Карно цикл состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двух адиабатных процессов. Впервые рассмотрен французским учёным Карно (1824) как идеальный рабочий цикл теплового двигателя. Превращение теплоты в работу сопровождается переносом рабочим телом двигателя определённого количества теплоты от более нагретого тела (нагревателя) к менее нагретому (холодильнику).

Карно цикл осуществляется следующим образом: рабочее тело (например, пар в цилиндре под поршнем) при температуре Т₁ приводится в соприкосновение с нагревателем, имеющим постоянную температуру T₁, и изотермически получает от него количество теплоты dQ₁ (при этом пар расширяется и совершает работу). На рис. 1 этот процесс изображен отрезком изотермы AB. Затем рабочее тело, расширяясь адиабатически (по адиабате BC), охлаждается до температуры T₂. При этой температуре, сжимаясь изотермически (отрезок CD), рабочее тело отдаёт количество теплоты dQ₂ холодильнику с температурой T₂. Завершается Карно цикл адиабатным процессом (DA на рис. 1), возвращающим рабочее тело в исходное термодинамическое состояние. При постоянной разности температур (T₁ — T₂) между нагревателем и холодильником рабочее тело совершает за один Карно цикл работу

Эта работа численно равна площади ABCD (рис. 1), ограниченной отрезками изотерм и адиабат, образующих цикл карно.

Цикл карно обратим, и его можно осуществить в обратной последовательности (в направлении ADCBA). При этом количество теплоты dQ₂ отбирается у холодильника и вместе с затраченной работой dА (превращенной в теплоту) передаётся нагревателю. Тепловой двигатель работает в этом режиме как идеальная холодильная машина.

Цикл карно имеет наивысший кпд µ =dA/dQ₁ = (T₁ — T₂)/T₁ среди всех возможных циклов, осуществляемых в одном и том же температурном интервале (T₁ — T₂). В этом смысле кпд цикла карно служит мерой эффективности по сравнению с другими рабочими циклами.

Исторически цикл карно сыграл важную роль в развитии термодинамики и теплотехники.

Рис. 1 Цикл Карно (диаграмма)

Рис. 2 Работа тепловой машины по циклу Карно (схема)