Цикл Карно – теоретические основы устройства и работы всех двигателей внутреннего сгорания

Среди всех циклических термодинамических процессов особое теоретическое значение и практическое применение имеет цикл Карно. Часто его называют непревзойденным, великим, идеальным и т. д. А многим он вообще кажется чем-то загадочным и непонятным. Однако если верно расставить все акценты, то моментально откроются вся простота, гениальность и красота этого изобретения, которое было открыто французским ученым и инженером Сади Карно. И станет понятно, что ничего сверхъестественного в предложенном им процессе нет, а есть только максимально эффективное использование некоторых законов природы.

Так что же на самом деле собой представляет знаменитый и таинственный цикл Карно? Его можно определить как квазистатический процесс, основанный на приведении термодинамической системы в тепловой контакт с парой резервуаров-термостатов, имеющих постоянные и устойчивые температурные значения. При этом предполагается, что температура первого (нагревателя) превышает аналогичный показатель второго (холодильника). Цикл Карно заключается в том, что сначала термодинамическая система, изначально имеющая определенное тепловое значение, вступает в контакт с нагревателем. Затем путем бесконечно медленного уменьшения давления в ней вызывается квазистатическое расширение, сопровождаемое заимствованием теплоты от нагревателя и сопротивлением внешнему давлению.

После этого система изолируется, что опять же вызывает в ней квазистатическое расширение по адиабате, пока ее температура не достигнет аналогичных показателей холодильника. При таком типе расширения термодинамической системой также совершается некая работа сопротивления внешнему давлению. В таком состоянии система и приводится в контакт с холодильником, при этом путем непрерывного увеличения давления она сжимается до определенного момента, вследствие чего потом в полном объеме отдает второму резервуару тепловую энергию, позаимствованную от нагревателя. Цикл Карно уникален тем, что не сопровождается какой-либо потерей тепла. Теоретически такую схему можно назвать вечным двигателем. Это все потому, что термический КПД цикла Карно, зависящий исключительно от температур пары резервуаров, всегда будет максимально возможным. Однако пока никто не сумел создать машину, тепловая эффективность которой превышала бы тридцать процентов от допускаемой цикличным процессом Сади Карно.

А этот процесс называют идеальным, поскольку он намного лучше других циклов способен превращать теплоту в полезную работу. С другой стороны, из-за трудностей в организации и проведении изотермических процессов его применение в реальных двигателях чрезвычайно затруднено. Для максимальной эффективности теплопередачи такую машину требуется полностью изолировать от внешней среды, что в действительности практически невозможно.

Обратный цикл Карно лежит в основе принципа действия теплового насоса, который, в отличие от холодильной машины, должен как можно больше отдать энергии какому-либо горячему объекту, например отопительной системе. Некоторая часть тепла заимствуется из внешней среды, имеющей более низкую температуру, остальная доля необходимой энергии выделяется при выполнении механической работы, например компрессором.