Цикл Карно — це термодинамічний цикл, відомий своєю максимальною ефективністю. Цикл Карно перетворює доступну енергію у вигляді тепла на корисну, використовуючи реверсивні адиабатичні (ізотермічні) та інші процеси.
Ефективність двигуна Карно дорівнює одиниці мінус відношення температури гарячого теплового резервуара до температури холодного резервуара. Цикл Карно відомий тим, що встановлює найвищий стандарт ефективності, який може бути досягнуто будь-яким циклом або двигуном.
Робота виконується робочим речовинним середовищем під час першої частини циклу, а робота виконується над робочим речовинним середовищем під час другої частини циклу. Різниця між ними є загальною роботою.
Ефективність циклу можна максимізувати, використовуючи процеси, які потребують найменшої кількості роботи та надають найбільше, використовуючи реверсивні процеси. На практиці реверсивні цикли не можуть бути досягнуті через незворотливість, пов'язану з кожним процесом, яку неможливо усунути.
Холодильники та теплові двигуни, які працюють на реверсивних циклах, вважаються моделями для порівняння реальних теплових двигунів та холодильників. У розробці реального циклу реверсивний цикл служить початковою точкою та модифікується для задоволення вимог.
Цикл Карно складається з чотирьох реверсивних процесів (2 реверсивних ізотермічних та 2 реверсивних адиабатичних процесів):
Цикл Карно демонструється нижче на прикладі поршня:
КРОК 1 – 2
(Реверсивне ізотермічне розширення, Th = Постійна)
TH — це початкова температура газу, а також температура резервуара, який знаходиться в тісному контакту з головкою циліндру.
Температура газу знижується, коли газ розширюється, і це тримається постійно шляхом передачі нескінченно малої кількості тепла (dT) від резервуара до газу.
Кількість тепла, переданого під час процесу до газу, становить Qh
КРОК 2 – 3
(Реверсивне адиабатичне розширення, температура знижується від TH до TL)
Система стає адиабатичною, коли тепловий резервуар замінюється теплоізоляцією. Під час цього процесу температура газу знижується до Tl з Th.
Цей процес називається реверсивним і адиабатичним (зверніть увагу, що інженерна термодинаміка має конкретне визначення для систем і процесів).
КРОК 3 – 4
(Реверсивне ізотермічне стиснення, Tl = Постійна)
На етапі 3, теплообмінник замінює теплоізоляцію головки циліндру при температурі Tl. Коли зовнішня сила тисне поршень внутрішньо, виконуючи роботу на газ, то температура газу зростає.
Але температура газу підтримується постійною, відкидаючи тепло до теплообмінника. Кількість тепла, відкинутого під час процесу, становить Ql.
КРОК 4 – 1
(Реверсивне адиабатичне стиснення, температура зростає від Tl до Th)
Теплообмінник замінюється теплоізоляцією, і температура газу зростає від Tl до Th під час процесу стиснення.
Робота, виконана газом під час процесу розширення, це площа під кривою 1-2-3.
Робота, виконана на газ під час процесу стиснення, це площа під кривою 3-4-1
Отже, загальна робота виконана під кривою 1-2-3-4-1.
Ефективність теплового двигуна залежить від максимальної та мінімальної температури циклу:
Карно стверджує, що ефективність теплового двигуна не залежить від типу рідини і залежить лише від максимальної та мінімальної температур під час циклу.
Отже, ефективність теплового двигуна вища, коли він працює на температурі надпари.
Цикл Карно та Другий закон термодинаміки:
Цикл Карно чітко продемонстрував факт, що тепло поглинається з високотемпературного джерела, називаного резервуаром, а тепло відкидається до стоку. Цей факт стає основою для Другого закону термодинаміки. Але для переміщення тепла в зворотному напрямку потрібна зовнішня робота.
Цикл Карно є реверсивним циклом, і він стає циклом холодильного агрегату Карно, коли процес обертається. Напрямок взаємодії тепла та роботи повністю обертається, тому
Отже,
Тепло, поглинуте з низькотемпературного резервуара, становить Ql
Тепло, відкинуте до високотемпературного резервуара, становить Qh
Виконана робота становить Wnet-in
Обернений цикл Карно той самий, що і звичайний
