Карно цикл

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. Л. С. 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).

  К. ц. осуществляется следующим образом: рабочее тело (например, пар в цилиндре под поршнем) при температуре T₁ 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 К. ц. 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 К. ц. работу

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

  К. ц. 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.

  К. ц. имеет наивысший кпд(коэффициент полезного действия) h = dA/dQ₁ = (T₁ — T₂)/T₁ среди всех возможных циклов, осуществляемых в одном и том же температурном интервале (T₁ — T₂). В этом смысле кпд(коэффициент полезного действия) К. ц. служит мерой эффективности др. рабочих циклов.

  Исторически К. ц. сыграл важную роль в развитии термодинамики и теплотехники. С его помощью была доказана эквивалентность формулировок Р. Клаузиуса и У. Томсона (Кельвина) второго начала термодинамики, К. ц. был использован для определения абсолютной термодинамической шкалы температур (см. Температурные шкалы), К. ц. часто использовался также для вывода различных термодинамических соотношений (например, Клапейрона — Клаузиуса уравнения).

  Лит.: Ферми Э., Термодинамика, пер.(перевод) с англ.(английский), Хар.. 1969; Путилов К. А., Термодинамика, М., 1971.

Рис. 2. Схема работы идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно: 1. От нагревателя Н поступает теплота dQ₁, газ под поршнем изотермически расширяется (по линии AB, рис.(рисунок) 1). 2. Газ изолирован от нагревателя и холодильника и адиабатически расширяется (по линии BC). 3. Газ изотермически (при Т = Т₂) сжимается (по линии CD) и отдаёт теплоту dQ₂ холодильнику X. 4. Газ изолирован и адиабатически сжимается (по линии DA).

Рис. 1. Цикл Карно на диаграмме р — V (давление — объём). dQ₁ — количество теплоты, получаемой рабочим телом от нагревателя, dQ₂ — количество теплоты, отдаваемой им холодильнику. Площадь ABCD численно равна работе цикла Карно.