Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл, задающий верхний предел КПД для любой тепловой машины. Он состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов, а его КПД определяется только температурами нагревателя и холодильника. Ниже разобраны все четыре стадии цикла, формула КПД, диаграммы p-V и T-S, теоремы Карно и сравнение с реальными циклами.
Цикл Карно — это теоретическая модель обратимого кругового процесса, предложенная французским инженером Сади Карно в 1824 году в работе «Размышления о движущей силе огня». Этот труд заложил фундамент термодинамики как науки.
Тепловая машина Карно работает между двумя тепловыми резервуарами: нагревателем с температурой T1 и холодильником с температурой T2 (T1 > T2). Рабочее тело получает теплоту Q1 от нагревателя, совершает полезную работу A и отдаёт теплоту Q2 холодильнику.
Цикл включает четыре последовательных обратимых процесса, совершаемых идеальным газом.
Термический КПД любого цикла определяется как отношение полезной работы к подведённой теплоте:
η = A / Q1 = (Q1 − Q2) / Q1 = 1 − Q2 / Q1
Для обратимых изотермических процессов отношение Q2/Q1 равно T2/T1. Это даёт главную формулу:
ηКарно = 1 − T2 / T1
Температуры берутся в кельвинах (абсолютная шкала).
Тепловая станция: температура котла t1 = 550 °C (T1 = 823 K), охлаждение речной водой t2 = 20 °C (T2 = 293 K). Максимально возможный КПД: η = 1 − 293/823 = 0,644, то есть 64,4 %. Реальный КПД паротурбинной установки при таких параметрах составит 35–45 % из-за необратимых потерь.
На p-V диаграмме цикл выглядит как замкнутая фигура, ограниченная двумя изотермами (гиперболы) и двумя адиабатами (более крутые кривые). Площадь внутри контура равна полезной работе за цикл. Обход совершается по часовой стрелке (прямой цикл).
На T-S диаграмме цикл Карно имеет вид прямоугольника. Две горизонтальные стороны — изотермы при T1 и T2, две вертикальные — адиабаты (при постоянной энтропии S). Площадь прямоугольника равна работе цикла, а площадь под верхней изотермой — подведённой теплоте Q1.
КПД тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника. Он не зависит от природы рабочего тела и конструкции машины.
КПД любой тепловой машины не может превышать КПД машины Карно, работающей между теми же температурами. Это следствие второго начала термодинамики, устанавливающее верхний предел эффективности преобразования теплоты в работу.
Цикл Карно нереализуем на практике: он требует бесконечно медленных обратимых процессов, что делает мощность машины равной нулю. Реальные тепловые машины работают по другим циклам.
Идеальный цикл Стирлинга с регенератором теоретически достигает того же КПД, что и цикл Карно при одинаковых температурах. Аналогично работает цикл Эрикссона. Оба используют регенерацию теплоты для приближения к обратимости.
При обращении направления обхода цикл Карно описывает идеальную холодильную машину или тепловой насос. Рабочее тело забирает теплоту от холодного резервуара и при затрате внешней работы передаёт её горячему. Холодильный коэффициент идеальной машины: COP = T2 / (T1 − T2).
Цикл Карно остаётся фундаментальным эталоном термодинамики. Его КПД η = 1 − T2/T1 задаёт непревышаемый предел для любой тепловой машины. Сравнение реальных циклов Отто, Дизеля и Ренкина с циклом Карно позволяет оценить потенциал повышения эффективности и определить направления совершенствования энергетических установок.
Статья носит ознакомительный характер. Автор не несёт ответственности за последствия использования изложенной информации. Для инженерных расчётов обращайтесь к действующим нормативным документам и специализированной литературе.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.