Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником. Запустите программу компьютерного моделирования. Выберите модель «Цикл Карно». Прочитайте краткие теоретические сведения. Подготовьте конспект.

Циклом Карно называется круговой процесс, состоящий из двух изотермических процессов и двух адиабатических процессов.

Рабочим телом называется термодинамическая система, совершающая процесс и предназначенная для преобразования одной формы передачи энергии – теплоты или работы – в другую. Например, в тепловом двигателе рабочее тело, получая энергию в форме тепла, часть её передаёт в форме работы.

Нагреватель (теплоотдатчик) – это устройство, сообщающее рассматриваемой термодинамической системе энергию в форме тепла.

Холодильник (теплоприёмник) – это система (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара), поглощающая часть тепла рабочего тела.

Прямым циклом называется круговой процесс, в котором рабочее тело совершает положительную работу: На графике p–V прямой цикл изображается в виде замкнутой кривой, проходимой рабочим телом по часовой стрелке.

Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклов, каждый из которых включает в себя получение рабочим телом энергии от нагревателя, расширение рабочего тела и совершение им работы, передачу части энергии холодильнику и возвращение рабочего тела в исходное состояние. Работа, совершаемая рабочим телом за один полный цикл, складывается из работы, совершённой им при расширении, и работы, совершённой им при сжатии: A = A_расш + A_сж. Учитывая, что при сжатии газ совершает отрицательную работу, последнее равенство можно переписать в виде:

При наличии холодильника газ перед сжатием или во время сжатия охлаждается, и потому процесс совершения им работы при сжатии протекает при меньшем давлении, чем при расширении. Поэтому |A_сж| < A_расш, и, следовательно, A > 0.

От нагревателя с температурой T₁ за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а холодильнику с температурой T₂ за цикл передаётся количество теплоты Q₂. Рабочее тело при этом совершает полезную работу A = Q₁ – Q₂, где изотермическое расширение и сжатие изображены на рисунке окна опыта соответственно кривыми 1–2 и 3–4, а адиабатическое расширение и сжатие – кривыми 2–3 и 4–1. При изотермическом процессе U = const, поэтому количество теплоты Q₁, полученное газом от нагревателя, равно работе расширения A₁₂, совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2:

(1)

При адиабатическом расширении 2–3 теплообмен с окружающей средой отсутствует, и работа расширения 2–3 совершается за счёт изменения внутренней энергии газа:

(2)

Количество теплоты Q₂, отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии, равно работе сжатия A₃₄:

(3)

Работа адиабатического сжатия

(4)

Работа, совершаемая в результате прямого кругового цикла Карно

(5)

Тогда термический КПД цикла Карно будет равен

(6)