Цикл Карно - теоретичні основи пристрою і роботи всіх двигунів внутрішнього згоряння

Серед усіх циклічних термодинамічних процесів особливе теоретичне значення та практичне застосування має цикл Карно. Часто його називають неперевершеним, великим, ідеальним і т. Д. А багатьом він взагалі здається чимось загадковим і незрозумілим. Однак якщо вірно розставити всі акценти, то моментально відкриються вся простота, геніальність і краса цього винаходу, який було відкрито французьким вченим і інженером Саді Карно. І стане зрозуміло, що нічого надприродного в запропонованому ним процесі немає, а є тільки максимально ефективне використання деяких законів природи.

Так що ж насправді собою являє знаменитий і таємничий цикл Карно? Його можна визначити як квазістатичний процес, заснований на приведенні термодинамічної системи в тепловий контакт з парою резервуарів-термостатів, що мають постійні і стійкі температурні значення. При цьому передбачається, що температура першого (нагрівача) перевищує аналогічний показник другого (холодильника). Цикл Карно полягає в тому, що спочатку термодинамічна система, спочатку має певне теплове значення, вступає в контакт з нагрівачем. Потім шляхом нескінченно повільного зменшення тиску в ній викликається квазістатична розширення, супроводжуване запозиченням теплоти від нагрівача і опором зовнішньому тиску.

Після цього система ізолюється, що знову ж викликає в ній квазістатична розширення по адіабаті, поки її температура не досягне аналогічних показників холодильника. При такому типі розширення термодинамічної системою також здійснюється якась робота опору зовнішньому тиску. У такому стані система і наводиться в контакт з холодильником, при цьому шляхом безперервного збільшення тиску вона стискається до певного моменту, внаслідок чого потім в повному обсязі віддає другий резервуару теплову енергію, запозичену від нагрівача. Цикл Карно унікальний тим, що не супроводжується будь-якої втратою тепла. Теоретично таку схему можна назвати вічним двигуном. Це все тому, що термічний ККД циклу Карно, що залежить виключно від температур пари резервуарів, завжди буде максимально можливим. Однак поки що ніхто не зумів створити машину, теплова ефективність якої перевищувала б тридцять відсотків від допустимої циклічним процесом Сади Карно.

А цей процес називають ідеальним, оскільки він набагато краще за інших циклів здатний перетворювати теплоту в корисну роботу. З іншого боку, через труднощі в організації та проведенні ізотермічних процесів його застосування в реальних двигунах надзвичайно ускладнене. Для максимальної ефективності теплопередачі таку машину потрібно повністю ізолювати від зовнішнього середовища, що насправді практично неможливо.

Зворотний цикл Карно лежить в основі принципу дії теплового насоса, який, на відміну від холодильної машини, повинен якомога більше віддати енергії якого-небудь гарячого об'єкту, наприклад опалювальній системі. Деяка частина тепла запозичується із зовнішнього середовища, що має більш низьку температуру, інша частка необхідної енергії виділяється при виконанні механічної роботи, наприклад компресором.