Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

План урока
1. Принципы действия тепловых двигателей.
2. Роль холодильника и нагревателя.
3. КПД теплового двигателя.
4. Цикл Карно.

Тепловые двигатели.
Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.
Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом.
Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически.

Рабочий цикл ТД
Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

Тепловые резервуары
Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q2 < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно
Q = Q1 + Q2 = Q1 – |Q2|.

КПД теплового двигателя
При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики,
ΔU = Q – A = 0.
Отсюда следует: A = Q = Q1 – |Q2|.
Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:

Модель. Термодинамические циклы

Энергетическая схема тепловой машины:
1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1 > 0, A > 0, Q2 < 0; T1 > T2

Примеры реальных тепловых циклов
Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

Цикл С.Карно (1824 г.)
Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:
A = A12 + A23 + A34 + A41.
На диаграмме (p, V) эта работа равна площади цикла.

Цикл С.Карно (1824 г.)
Из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа
A = –ΔU = –CV (T2 – T1),
где T1 и T2 – начальная и конечная температуры газа.
Работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам
A23 = –A41.
По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть
С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры
нагревателя T1 и холодильника T2: