Цикълът на Карно е термодинамичен цикъл, който е известен с най-добрата възможна ефективност. Цикълът на Карно превръща наличната енергия във формата на топлина, за да произведе полезни обратими-адиабатични (изотермични) и други процеси.
Ефективността на двигателя на Карно е равна на един минус отношението между температурата на горещия термален резервоар и температурата на студения резервоар. Цикълът на Карно е известен с поставянето на най-високата ефективност, която всеки цикъл или двигател може да постигне.
Работата се извършва от работната течност по време на първата част на цикъла, а работата се извършва върху работната течност по време на втората част на цикъла. Разликата между двете е чистата извършена работа.
Ефективността на цикъла може да бъде максимизирана, като се използват процеси, които изискват най-малко количество работа и дават най-много, използвайки обратими процеси. Практически, обратими цикли не могат да бъдат постигнати поради необратимостта, свързана с всеки процес, която не може да бъде елиминирана.
Хладилници и топлинни двигатели, които работят на обратими цикли, се считат за модели за сравнение на реалните топлинни двигатели и хладилници. В развитието на реалния цикъл, обратимият цикъл служи като начална точка и се модифицира, за да отговаря на изискванията.
Цикълът на Карно се състои от четири обратими процеса (2 обратими-изотермични и 2 обратими-адиабатични процеса), както следва:
Цикълът на Карно е демонстриран по-долу чрез съответния пример с порш:
ЕТАП 1 – 2
(Обратимо изотермично разширяване, Th = Константа)
TH е началната температура на газа и също така температурата на резервоара, който е в близък контакт с главата на цилиндъра.
Температурата на газа намалява, когато газът се разширява, и се поддържа константа, като се прехвърля безкрайно малко количество топлина (dT) от резервоара към газа.
Количеството прехвърлена топлина по време на процеса към газа е Qh
ЕТАП 2 – 3
(Обратимо адиабатично разширяване, температурата намалява от TH до TL)
Системата става адиабатична, когато топлинния резервоар се замести с изолация. По време на този процес, температурата на газа намалява от Th до Tl.
Този процес се нарича обратим, както и адиабатичен (забележете, че инженерната термодинамика има специално определение за системи и процеси).
ЕТАП 3 – 4
(Обратимо изотермично сжимане, Tl = константа)
На етап 3, топлинния резервоар замести изолацията на главата на цилиндъра при температура Tl. Когато външна сила натисне поршето вътрешно, за да извърши работа върху газа, температурата на газа се увеличава.
Но температурата на газа се поддържа константа, като се отхвърля топлина към резервоара. Количеството отхвърлена топлина по време на процеса е Ql.
ЕТАП 4 – 1
(Обратимо адиабатично сжимане, температурата се увеличава от Tl до Th)
Енергиен резервоар се заменя с изолация и температурата на газа се увеличава от Tl до Th по време на процеса на сжимане.
Работата, извършена от газа по време на процеса на разширяване, е площта под кривата 1-2-3.
Работата, извършена върху газа по време на процеса на сжимане, е площта под кривата 3-4-1
Така чистата извършена работа е площта под пътя 1-2-3-4-1.
Ефективността на топлинния двигател зависи от максималната и минималната температура на цикъла:
Карно твърди, че ефективността на топлинния двигател е независима от типа на течността и зависи само от максималната и минималната температура по време на цикъла.
Така ефективността на топлинния двигател е по-висока, когато работи при температура на надгряване на пара.
Цикъл на Карно и втория закон на термодинамиката:
Цикълът на Карно ясно демонстрира факта, че топлината се абсорбира от източник с висока температура, наречен резервоар, и топлината се отхвърля към резервоар. Този факт е основа за втория закон на термодинамиката. Но е необходима външна работа, за да се премести топлината в обратна посока.
Цикълът на Карно е обратим цикъл, и става цикъл на Карно за хладилници, когато процесът се обърне. Посоката на взаимодействията на топлината и работата се обръща напълно, така че
Така,
Абсорбираната топлина от резервоар с ниска температура е Ql
Отхвърлената топлина към резервоар с висока температура е Qh
Извършената работа е Wnet-in
Обратен цикъл на Карно е същият като традиционния цикл на Карно, освен за посоката на процесите.
