У термодинаміки цикл Карно або процес Карно - це оборотний круговий процес, що складається з двухадіабатіческіх і двох ізотермічних процесів. В процесі Карно термодинамічна система виконує механічну роботу і обмінюється теплотою з двома тепловими резервуарами, що мають постійні, але різняться температури. Резервуар з більш високою температурою називається нагрівачем, а з більш низькою температурою - холодильником.
Цикл Карно названий на честь французького вченого і інженера Сади Карно, який вперше його описав у своєму творі «Про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу» в 1824 році.
Оскільки оборотні процеси можуть здійснюватися лише з нескінченно малою швидкістю, потужність теплової машини в циклі Карно дорівнює нулю. Потужність реальних теплових машин не може бути дорівнює нулю, тому реальні процеси можуть наближатися до ідеального оборотного процесу Карно тільки з більшим чи меншим ступенем точності. У циклі Карно теплова машина перетворює теплоту в роботу з максимально можливим коефіцієнтом корисної дії з усіх теплових машин, у яких максимальна і мінімальна температури в робочому циклі збігаються відповідно з температурами нагрівача і холодильника в циклі Карно.
Цикл Карно в координатах T-s
Однією з координат в цьому графіку є ЕНТРОПІЯ - s.
Ентропія виражається функцією:
де q - підведена до робочого тіла теплота, T - його температура при ізотермічному процесі.
Для циклу Карно в T, s - діаграмі підведена q1 і відведена q2 теплота до робочого тіла представляють площі під ізотермічними процесами, які відповідають прямокутникам зі сторонами: для q1 - з Т1 і # 916; s, для q2 - з T2 і # 916; s. Величини q1 і q2 визначаються за формулами ізотермічного процесу:
Робота циклу Карно дорівнює різниці підведеної і відведеної теплоти
Відповідно до останнього виразом отримати роботу можливо тільки при наявності різниці температур у гарячого і холодного джерел теплоти. Максимальна робота Циклу Карно теоретично була б при Т2 = 0, але в якості холодного джерела в теплових машинах, як правило, використовується навколишнє середовище (вода, повітря) з температурою близько 300 К. Крім цього, досягнення абсолютного нуля в природі неможливо (цей факт відноситься до третього закону термодинаміки). Таким чином, в циклі Карно не вся теплота q1 перетворюється в роботу, а тільки її частину, що залишилася після отримання роботи теплота q2, віддається холодного джерела, і при заданих Т1 і Т2 вона не може бути використана для отримання роботи, величина q2 є тепловими втратами (тепловим покидьком) циклу.
Нехай теплова машина складається з: 1) нагрівача з температурою. 2) холодильника з температурою і 3) робочого тіла.
Цикл Карно складається з чотирьох оборотних стадій, дві з яких здійснюються при постійній температурі (ізотермічні), а дві - при постійній ентропії (адиабатически). Тому цикл Карно зручно представити в координатах T (температура) і S (ентропія).
1. Ізотермічне розширення (на рис. 1 - процес A → Б). На початку процесу робоче тіло має температуру. тобто температуру нагрівача. Потім тіло приводиться в контакт з нагрівачем, який ізотермічні (при постійній температурі) передає йому кількість теплоти. При цьому обсяг робочого тіла збільшується, воно здійснює механічну роботу, а його ентропія зростає.
2. Адіабатичне розширення (на рис. 1 - процес Б → В). Робоче тіло від'єднується від нагрівача і продовжує розширюватися без теплообміну з навколишнім середовищем. При цьому температура тіла зменшується до температури холодильника. тіло здійснює механічну роботу, а ентропія залишається постійною.
3. Ізотермічне стиснення (на рис. 1 - процес В → Г). Робоче тіло, що має температуру. наводиться в контакт з холодильником і починає ізотермічні стискатися під дією зовнішньої сили, віддаючи холодильника кількість теплоти. Над тілом здійснюється робота, його ентропія зменшується.
4. Адіабатичне стиснення (на рис. 1 - процес Г → А). Робоче тіло від'єднується від холодильника і стискається під дією зовнішньої сили без теплообміну з навколишнім середовищем. При цьому його температура збільшується до температури нагрівача, над тілом здійснюється робота, його ентропія залишається постійною.
Кількість теплоти, отримане робочим тілом від нагрівача при ізотермічному розширенні, так само
.
Аналогічно, при ізотермічному стисканні робоче тіло віддає холодильнику
.
Звідси коефіцієнт корисної дії теплової машини Карно дорівнює
.
Тому максимальний ККД будь-якої теплової машини не може перевищувати ККД теплової машини Карно, що працює при тих же температурах нагрівача і холодильника. Це твердження називається другий теоремою Карно. Воно дає верхню межу ККД будь-якої теплової машини і дозволяє оцінити відхилення реального ККД від максимального, тобто втрати енергії внаслідок неідеальності теплових процесів.
Цикл Карно може бути представлений і в координатах P (тиск робочого тіла) і V (об'єм робочого тіла). Зрозуміло, що робоче тіло - це пар в турбіні, або газ в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння.
Мал. 2. Цикл Карно в координатах P і V
Для того щоб цикл був оборотним, в ньому повинна бути виключена передача теплоти при наявності різниці температур, інакше порушується умова адіабатічності процесу. Тому передача теплоти повинна здійснюватися або в ізотермічному процесі (як в циклі Карно), або в еквідистантним процесі (узагальнений цикл Карно або, для прикладу, його окремий випадок Цикл Брайтона). Для того щоб міняти температуру робочого тіла від температури нагрівача до температури холодильника і назад, необхідно використовувати або адиабатические процеси (вони йдуть без теплообміну і, отже, не впливають на ентропію), або цикли з регенерацією тепла при яких немає передачі тепла при різниці температур. Ми приходимо до висновку, що будь-який оборотний цикл може бути зведений до циклу Карно.
Прикладом оборотного циклу, який не є циклом Карно, але інтегрально збігається з ним, є ідеальний цикл Стірлінга: в двигуні Стірлінга доданий регенератор, що забезпечує повне наближення циклу до циклу Карно з досягненням оборотності і тих же величин ККД.
Якщо ж в циклі виникає передача теплоти при наявності різниці температур, а такими є всі технічні реалізації термодинамічних циклів, то цикл втрачає властивість оборотності. Інакше кажучи, за допомогою відведеної в циклі механічної роботи стає неможливим отримати вихідну теплоту. ККД такого циклу буде завжди менше, ніж ККД циклу Карно.