Детская энциклопедия

Меню сайта











Цикл Карно

Молодой инженер Карно рассчитывал и строил водяные двигатели. Но в это же время начали во Франции широко применять паровые машины, и важнейшей научно-технической зада­чей стало создать теорию тепловых машин.

К решению этой задачи приступил и Карно. Строго говоря, к этому он совсем не был подго­товлен. Он еще не мог знать, откуда берется работа в тепловых машинах, не знал, для чего нужна теплота, и считал, как его учили, что теплота — вещество. Но Карно был гениаль­ным исследователем и сумел правильно решить одну из труднейших задач естествознания: при каких обязательных условиях возможно превращение теплоты в работу?

Хорошо знакомый с расчетом водяных дви­гателей, Карно уподобил теплоту воде. Чтобы водяная мельница могла молоть зерно — рабо­тать, необходимо одно условие: вода должна падать с высокого уровня на низкий. Карно предположил: чтобы теплота могла совер­шать работу, она тоже должна переходить с высокого уровня на низкий, и разность высот для воды соответствует разности температур для теплоты.

В 1824 г. Карно высказал гениальную мысль: для производства работы в тепловой машине необходима разность температур, необходимы два источника теплоты с различными темпера­турами. Это утверждение — главное в теории Карно. Оно называется принципом Карно.

На основе открытого им принципа Карно придумал цикл идеальной тепловой машины, которую не может превзойти никакая другая машина. Этот цикл изучают теперь все будущие инженеры во всех вузах мира.

Придется его рассмотреть и нам. Такая машина никогда не была построена, ее даже вообще нельзя построить. Но ни одна когда-либо действовавшая машина не имела такого огромного значения для развития тех­ники, как эта придуманная молодым француз­ским инженером и неосуществленная.

В соответствии с принципом Карно мы дол­жны предположить, что располагаем источни­ком теплоты с высокой температурой (нагрева­телем) и холодильником с низкой температурой. В этом требовании, конечно, ничего необычайного нет: и топка (нагреватель) и холодильник обя­зательно есть во всякой тепловой машине.

Теперь представим себе цилиндр с поршнем. В цилиндре находится газ. Для расчета удобнее взять один моль идеального газа. (Сам Карно брал для этой цели воздух.) Предоставим инженерам-конструкторам придумывать детали механизма, который позволил бы использо­вать получаемую работу, и сосредоточим вни­мание только на самом главном и существен­ном для всякой машины — на ее рабочем цикле.

Как должна работать идеальная машина? Каким способом нужно нагревать газ, чтобы он, расширившись, мог совершить нужную нам работу?

Если при нагревании газа в цилиндре меж­ду нагревателем и газом установится хотя бы даже очень малая разница температур, то это явно будет невыгодно, ведь, согласно принципу Карно, за счет этой разности можно было бы получить еще дополнительную работу. Значит, газ в цилиндре должен расширяться точно при температуре нагревателя, т. е. рас­ширяться изотермически, сохраняя на протя­жении всего пути расширения постоянную тем­пературу.

Мы уже знаем, как протекает процесс изо­термического расширения газа. Давление его при этом падает. Сколько при таком расшире­нии будет получено работы, мы тоже знаем.

Газ в цилиндре нагрелся и расширился, но машина должна работать непрерывно. Для это­го ее рабочий процесс должен быть обязатель­но замкнутым — циклическим. Следовательно, нагретый газ должен быть охлажден и сжат.

Как это сделать? У нас в распоряжении есть холодильник с низкой температурой. Каза­лось бы, можно просто привести цилиндр в соприкосновение с холодильником, и газ охла­дится. Но тогда возникнет разность температур между горячим еще газом и холодильником, и снова будет потеряна, в соответствии с прин­ципом Карно, возможность получить дополнительную работу. Так делать нельзя. Ге­ниальная идея Карно заключалась в том, что он предоставил газу возможность расширяться без обмена теплом — адиабатическим путем. Согласно первому закону термодинамики, тем­пература газа будет при этом падать. Предо­ставим ей возможность упасть до температуры холодильника. На этом этапе будет дополни­тельно получено некоторое количество работы без затраты тепла, только за счет внутренней энергии газа.

Приведем газ в цилиндре в тепловой контакт с холодильником и начнем его сжимать при низкой температуре. Конечно, на основе прин­ципа Карно мы можем это сжатие Проводить тоже только изотермическим путем. На этом участке процесса придется затратить на сжа­тие газа часть той работы, которая была полу­чена при расширении газа. Но это ничего, часть ее останется.

Когда газ достаточно сжат (насколько его нужно сжать изотермически, это нетрудно рассчитать), необходимо повысить его темпе­ратуру до температуры нагревателя, чтобы можно было начать новый цикл. Газ над пор­шнем должен занять свой прежний объем. Как это сделать? Нагревать нельзя. Появление разницы температур недопустимо. Оно каждый раз означает потерю возможности получить еще дополнительную работу.

Значит, можно только сжать газ адиабати­ческим путем, без получения теплоты извне. При таком сжатии возрастет его внутренняя энергия и повысится температура. Когда тем­пература газа достигнет температуры нагрева­теля, адиабатическое сжатие закончится.

Газ пришел в прежнее состояние, круговой процесс закончен, можно начинать новый цикл. Если верен сам принцип, то лучшую машину построить нельзя. С помощью такой идеальной машины можно получить наибольшее количе­ство работы при заданном перепаде температур между нагревателем и холодильником.

Повторяем: в действительности машина, работающая по циклу Карно, неосуществима.





 
Календарь
«  Декабрь 2016  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Новые статьи
Каталог статей
Как подготовить ребенка к школе
Освоение навыков чтения
Природные материалы на уроках труда

Статистика




 
Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
2013 © 2016