|
Меню сайта
Статистика
|
Цикл КарноЦикл КарноМолодой 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.
|
ПОИСК
Block title
|
