В 1824 году французский инженер Сади Карно предложил цикл, дающий
максимальное значение термического КПД. Он состоит из двух
обратимых изотермических и двух обратимых адиабатных процессов.
Изотермический и адиабатный процессы являются самыми выгодными
процессами в смысле получения работы, т.к. в изотермическом
процессе вся теплота, подводимая к рабочему телу, превращается в
работу, а адиабатный процесс протекает без теплообмена.
Процесс 1–2 представляет процесс изотермического расширения
рабочего тела с подводом теплоты q1 от источника теплоты с
температурой Т1. Количество теплоты q1, равное работе l1-2,
полученной в процессе 1–2, определяется по формуле
Процесс 2–3 является процессом адиабатического расширения,
следовательно, в нем не происходит обмена теплотой с окружающей
средой (другими словами теплота рабочим телом не теряется).
В процессе 3–4 происходит изотермическое сжатие рабочего тела с
отводом теплоты q2 к низшему источнику теплоты с температурой T2.
На сжатие затрачивается работа l3-4 (причем это работа
минимальная), численно равная количеству отведенной теплоты q2 и
определяемая по формуле
.
В процессе адиабатного сжатия 4–1 газ нагревается до температуры
Т1. При этом потерь теплоты рабочим телом не происходит.
Коэффициент полезного действия любого цикла тепловой машины (в том
числе и цикла Карно) определяют по формуле
.
.
Для адиабатных процессов 4-1 и 2-3 соотношение параметров в
процессе:
процесс 4-1 - ;
процесс 2-3 - .
Следовательно
или .
Тогда термический КПД цикла Карно
.
Анализируя формулу КПД, можно сделать еще один важный вывод –
коэффициент полезного действия Цикла Карно зависит лишь от
температур верхнего и нижнего источников теплоты и, следовательно,
не зависит от рода рабочего тела. Это утверждение является
содержанием теоремы Карно.
Прямые циклы используются в тепловых двигателях. В обратном цикле
все процессы совершаются в противоположном направлении, при этом от
холодного источника с температурой отнимается теплота , на что
затрачивается работа , которая превращается в теплоту и вместе с
отнятой от холодного тела теплотой передается в количестве горячему
источнику с температурой . Обратные циклы используются в
холодильных установках. Эффективность холодильной установки
определяется холодильным коэффициентом, представляющим собой
отношение количества теплоты, отнятой за цикл от охлаждаемого
объекта, к затраченной в цикле работе:
(4.6)
Для цикла Карно холодильный коэффициент составляет:
(4.7)