Цикъл и машина на Карно

Във всяка топлинна машина има определено вещество, което периодично се разширява чрез нагряване, а чрез охлаждане се свива и така при последователните разширения и свивания извършва механична работа. Например газовете, получени при изгаряне на горивната смес в цилиндрите на двигател с вътрешно горене. Веществото, което извършва работа по този начин в една топлинна машина се нарича работно вещество на топлинната машина. Работното вещество извършва кръгов термодинамичен процес или цикъл.

Ефективността на една топлинна машина се определя от това каква част от топлината Q , която получава машината се превръща в работа A . Величината η , която показва каква е тази част се нарича коефициент на полезно действие:

η = A Q .

Най-пълноценна би била топлинна машина, която превръща цялото получено количество топлина в работа ( A = Q ), т.е. топлинна машина с коефициент на полезно действие η = 1 . Такава топлинна машина се нарича перпетум мобиле от втори род и както ще видим не съществува.

Въпросът за това какъв е максимално възможния коефициент на полезно действие на една топлинна машина за пръв път е изследван от френския инженер и физик Сади Карно, който предложил една идеална топлинна машина, наречена машина на Карно. Работното вещество в машината на Карно извършва цикличен термодинамичен процес, наречен цикъл на Карно. Цикълът на Карно се състои от четири етапа, които се осъществяват чрез изотермични и адиабатни процеси.

Нека началното състояние на работното вещество се характеризира с обем V 1  и температура T 1 . През първия етап от цикъла на Карно работното вещество се разширява изотермично. В края на този етап температурата остава същата T 1 , а обемът се увеличава до V 2 . Работното вещество извършва работа и за да остава температурата му постоянна, получава количество топлина Q 1  от нагревател с постоянна температура T 1 . През втория етап работното вещество се изолира топлинно и продължава да се разширява до обем V 3 . Извършва се работа, но за сметка на вътрешната енергия на работното вещество и затова температурата му намалява до T 2 . През третия етап работното вещество се свива до обем V 4  изотермично, при това външните сили извършват работа, и за да не се повишава температурата на работното вещество вследствие на тази работа, то отдава количество топлина Q 2 на охладител с температура T 2 . През четвъртия етап от цикъла работното вещество отново се изолира топлинно и продължава да се свива докато достигне началния си обем V 1 . Извършената при свиването работа на външните сили отива за увеличаване на вътрешната енергия, придружено с повишаване на температурата от T 2  до началната стойност на температура T 1 .

В резултат на целия цикъл работното вещество извършва работа A , равна на разликата между полученото и отдадено количество топлина:

Q 1 − Q 2 = A  

Ефективността на машината на Карно се характеризира с коефициент на полезно действие:

η = A Q 1 = Q 1 − Q 2 Q 1 = 1 − Q 2 Q 1 .

Както се вижда от последните формули, поради това, че част от топлината се отдава на охладител и се губи, коефициента на полезно действие е по-малък от единица. Изобщо всички топлинни машини имат коефициент на полезно действие по-малък от единица.

Copyright^© Ваньо Георгиев, 2005 г. Въпроси и коментари пишете тук.
physics-bg.org