11.1. теорема Карно
Сааді Карно (1796 - 1832) поставив принципове питання: з яких процесів повинен складатися цикл теплової машини, яка б забезпечувала максимальну ефективність.
Карно розглянув круговий процес, що складається з двох ізотерм і двох адіабати.
Теоpема Каpно стосується поведінки машин Каpно. Машина Каpно, в свою очеpедь, є машина, працює по циклу Каpно.
Принцип дії теплових двигунів.
Тепловий двигун перетворює внутрішню енергію палива в механічну енергію (роботу). Приклади: паровий або турбінний двигун, двигун внутрішнього згоряння, двигун Дизеля.
Тепловий двигун складається з нагрівача (котел, камера згоряння), холодильника (теплообмінник, атмосфера) і робочого тіла (газ, пар). У робочому циклі (ріс.6.3.2) протікають наступні процеси:
Робоче тіло отримує від нагрівача теплоту Q1 при температурі Т1.
Робоче тіло, розширюючись, здійснює роботу А1.
Для повернення в початковий стан, залишок теплоти Q2 робоче тіло віддає холодильнику при температурі Т20, T1> T2.
Мал. Технологічна схема, яка реалізує теплової цикл Карно.
Всі холодильні установки працюють за таким принципом. Реальні холодильні установки, як і теплові машини, не працюють по циклу Каpно (використовуються дpугие цикли).
Пристрій, що працює по холодильному циклу, може мати двояке призначення. Якщо корисним ефектом є відбір деякої кількості тепла | Q2 | від охолоджуваних тел (наприклад, від продуктів в камері холодильника), то такий пристрій є звичайним холодильником.
Якщо корисним ефектом є передача певної кількості тепла | Q1 | нагрівається тіл (наприклад, повітрю в приміщенні), то такий пристрій називається тепловим насосом.
Треба сказати, що машин Каpно взагалі не стpой. Проте ідеальна машина Каpно игpает важливу pоль в теплотехніці. Виявляється, пpи заданих значеннях максимальної темпеpатуpа нагpевателя і мінімальної - холодильника, машина Каpно має максимальний коефіцієнт корисної дії сpеди всіх можливих теплових машин
На підставі наведеного вище були доведені наступні твердження, які називаються теоремами Карно:
Коефіцієнт корисної дії теплової машини, що працює при даних значеннях температур нагрівача і холодильника, не може бути більше, ніж коефіцієнт корисної дії машини, що працює за оборотного циклу Карно при тих же значеннях температур нагрівача і холодильника.
Коефіцієнт корисної дії теплової машини, що працює за циклом Карно, не залежить від роду робочого тіла, а тільки від температур нагрівача і холодильника.
На викладених міркуваннях заснований висновок формули Карно, яка дає максимально можливий ККД ідеальної теплової машини, що працює при заданій різниці температур нагрівача і холодильника:
Реальна машина не може працювати з таким ККД, оскільки в ній неминучі тертя і витоку тепла. Для парової машини, що працює, наприклад, при температурі котла 130 C (403 К) і температурі конденсатора 30 C (303 К), термодинамічний ККД дорівнює 100/403, тобто менше 25%.
Таким чином, коефіцієнт корисної дії машини, що працює за циклом Карно, максимальний.