Теплові машини
У парових двигунах різниця температур досягається за рахунок спалювання палива, при цьому нагрівається пара. У двигуні внутрішнього згоряння за рахунок згоряння робочої суміші усередині циліндра двигуна.
Принцип дії холодильника чи теплового насоса складається в звертанні робочих стадій теплового двигуна.
Робота звичайно відбувається мотором компресора (мал.4).
У звичайному холодильнику цикл складається з декількох стадій:
а. Пара стискується компресором, нагріваючи при цьому.
б. Нагріта пара надходить у конденсатор утвориться гаряча рідина.
в. Через розширювальний клапан гаряча рідина надходить у теплообмінник, де випаровуючи прохолоджується.
м. Потім пара знову надходить у компресор і цикл повторюється.
Мал.4.
Двигун Карно і його ККД.
На початку ХІХ століття процес перетворення теплоти в механічну роботу докладно вивчав французький учений Н.Л. Сади Карно (1796-1832). Він мав намір визначити способи підвищення ККД теплових машин, однак дослідження привели до вивчення основ термодинаміки.
Як допоміжний засіб для своїх досліджень він на папері винайшов ідеалізований тип двигуна, що тепер прийнятий називати двигуном Карно.У цьому двигуні відбуваються оборотні процеси, тобто протекающие надзвичайно повільно, так що його можна розглядати, як послідовний перехід від одного рівноважного стану до іншого, причому цей процес можна провести в зворотному напрямку без зміни зробленої роботи і переданої кількості теплоти. Наприклад газ, який знаходиться в циліндрі з щільно притиснутим до стінки поршнем, що не має тертя, можна зжати ізотермічно, якщо стиск робити дуже повільно. Однак якщо в процесі беруть участь які-небудь ще фактори, наприклад тертя, то робота зроблена в зворотному напрямку не буде дорівнює зробленої при стиску. Цілком природно, що оборотні процеси неможливі, оскільки на їхнє здійснення буде потрібно нескінченно багато часу. Але проте такі процеси можна моделювати з як бажаною точністю. Усі реальні процеси необоротні, тому що можуть бути присутнім: тертя, у газах - збурювання і багато інших факторів.
Двигун Карно заснований на оборотному циклі, тобто на послідовності оборотних процесів.
У двигуні Карно використовується однойменний цикл (мал.5). У крапці а початковий стан системи. Спочатку газ розширюється ізотермічно й оборотно по шляху ab при заданій температурі TH, наприклад газ приходить у контакт із термостатом, що має дуже велику теплоємність. Потім газ розширюється адіабатично й зворотньо по шляху bc, при цьому передача теплоти практично не відбувається і температура газу падає до більш низького значення TL.
На третій стадії циклу відбувається ізотермічний і оборотний стиск газу по шляху cd, тут газ контактує з холодним термостатом при температурі ТL. І нарешті газ адіабатичний й оборотний стискується по шляху da повертаючи, таким чином, у вихідний стан.
Нескладно показати, що результуюча робота чисельно дорівнює площі обмеженої кривими.
ККД двигуна Карно визначається також як і будь-якого іншого двигуна:
Однак можна показати, що його ККД залежить лише від ТН і ТL.
У першому ізотермічному процесі ab чинена газом робота дорівнює: