8.10. ИДЕАЛЬНАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА. ЦИКЛ КАРНО

Тепловой машиной называется периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла. Принцип действия теплового двигателя изображен на рис. 8.6. Если машина работает по прямому циклу (рис. 8.6, а), то она является тепловой; если по обратному (рис. 8.6, б, то она называется холодильной.

В тепловой машине (рис. 8.6 ,а) за цикл от нагревателя отбирается количество теплоты Q1, и передается холодильнику тепло Q2. При этом система совершает работу:

.

В холодильной машине (рис. 8.6, б), за цикл от холодильника отбирается тепло Q2 и передается нагревателю в количестве Q1. При этом над системой совершается работа:

.

Без совершения работы нельзя отбирать тепло от менее нагретого тела и передавать его более нагретому. Коэффициент полезного действия тепловой машины определяется по формуле (8.22).

Наиболее экономичной является идеальная тепловая машина, которая работает по обратимому циклу – циклу Карно (рис. 8. 7). Он состоит из двух изотерм и двух адиабат. Эти процессы являются обратимыми: кривая 1-2 – изотермическое расширение; кривая 2-3 – адиабатическое расширение; кривая 3-4 – изотермическое сжатие; 4-1 – адиабатическое сжатие.

Работа цикла (А) равна заштрихованной площади, ограниченной кривыми цикла:

,

где - переданное системе тепло; - отведенное от системы тепло.

Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины определяется по формуле:

,                                                      (8.23)

где Т1 – температура нагревателя; Т2 – температура холодильника. Для всякого реального теплового двигателя из-за трения и неизбежных тепловых потерь КПД гораздо меньше, чем для цикла Карно: .

Можно объединить выражения (8.22) и (8.23), тогда получим:

.                                           (8.24)