Цикл Карно: основные процессы и принципы работы

Французский ученый Сади Карно вошел в историю науки как «отец термодинамики», ведь именно он первым сформулировал теорию о тепловом двигателе, известную сегодня собственно как «цикл Карно». Книга Карно «Размышления о движущей силе пара» стала фундаментом для второго закона термодинамики. Научные исследования Карно привели к возникновению концепции «термодинамической системы», давшей впоследствии основу для многих других будущих открытий в физике.

Краткая биография ученого

Николя Леонард Сади Карно (именно такое полное имя ученого) родился в 1796 году в Париже в семье высокопоставленного военного, инженера и ученого Лазаря Карно. В то время для детей богатых знатных европейцев еще практиковалось домашнее образование, и юный Николя, как и его брат Ипполит, получил всестороннее образование в лучших традициях того времени. Он выучил несколько иностранных языков, был сведущ в музыке и искусствах, как и академических науках, больше всех из которых мальчика увлекала, конечно же, физика. Поэтому обнаружив в себе способности к учебе 16-летний Сади Карно в 1812 году поступает в «Высшую политехническую школу» Парижа.

На то время это был лучший вуз Франции в технической сфере, поддержку и покровительство которому оказывал сам Наполеон Бонапарт, а в стенах политехнической школы Парижа работали такие выдающиеся французский ученые как Джозеф Луи Гей-Люссак, Симеон Дени Пуассон и Андре-Мари Ампер. Именно они стали наставниками и учителями Карно.

В то время в странах Европы, и в частности Франции активно шла «промышленная революция», как грибы после дождя открывались заводы и фабрики, и Карно заинтересовался промышленным развитием, которое он изучил во всех аспектах. Он часто посещал фабрики и мастерские, изучал принципы работы станков и организации эффективного труда рабочих. Наверное, в одну из таких «экскурсий» им овладела идея создания максимально эффективного парового двигателя, задавшая вектор его будущих научных поисков.

После окончания обучения как и отец Сади Карно какое-то время служил в армии в качестве военного инженера, но военная служба была ему не так близка, к тому же сказалась неблагоприятная политическая обстановка: отец Карно, Лазарь Карно был близким соратником Наполеона, но после свержения и изгнания легендарного императора Франции, сам Лазарь тоже попал в опалу и был вынужден покинуть страну. Изгнание отца плохо сказалось на военной карьере сына, новые власти попросту игнорировали его многочисленные отчеты по инспектированию фортификационных сооружений. Поэтому в 1831 году Сади Карно ушел в отставку и полностью посвятил себя научной деятельности.

Как мы писали выше Карно хотел создать идеальный паровой двигатель, поэтому начал активно исследовать физические свойства пара, как и различных газов, особенно того, что касалось связи температуры и давления. В ходе этих исследования он и сделал свои удивительные научные открытия. К сожалению, жизнь ученого оборвалась в результате эпидемии холеры, когда ему было лишь 36 лет, 24 августа 1832 года его не стало, зато остались его открытия в сфере термодинамике, о которых мы поговорим дальше.

Принцип работы цикла Карно

В термодинамике цикл Карно это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных (когда система не обменивается теплотой с окружающим пространством) и двух изотермических процессов (происходящих в системе при постоянной температуре). Цикл Карно обеспечивает максимально возможный предел эффективности для любого классического парового (термодинамического) двигателя во время преобразования тепла в работу и наоборот.

Паровой двигатель является ярким примером термодинамической системы, то есть, говоря простым языком, термодинамическая система это некое физическое тело (или совокупность тел), в которых под действием температуры осуществляется некая работа (обычно механическая, как в случае с паровым двигателем). Каждая термодинамическая система проходит через ряд различных состояний, и по возвращении системы в свое исходное состояние завершается термодинамический цикл. В процессе прохождения цикла выполняется определенная работа, скажем перемещение поршня в том же паровом двигателе.

Согласно циклу Карно термодинамическая система проходит через четыре стадии:

1. Изотермическое расширение. В начале процесса рабочее тело имеет температуру Тн, то есть температуру нагревателя. При расширении рабочего тела его температура не падает за счет передачи от нагревателя количества теплоты Qн, то есть расширение происходит изотермически (при постоянной температуре). При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.

2. Адиабатическое расширение. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника Тх, тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.

3. Изотермическое сжатие. Рабочее тело, имеющее температуру Тх, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты Qх. Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие. Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Термодинамическая система, проходящая через цикл Карно, представляет собой идеальный тепловой двигатель, который существует лишь в теории. На практике удалось построить лишь двигатель более-менее приближенный к «идеалу».

Обратный цикл

Классический цикл Карно можно «обратить вспять», тогда он станет так званный «холодильным циклом Карно» или обратным циклом. Технически это точно такой же цикл, только направления тепловых взаимодействий в нем меняются местами.

Если же в цикле возникает передача теплоты при наличии разности температур, а такими являются все реализации термодинамических циклов на практике в реальной жизни, то такой цикл становится необратимым. КПД его будет всегда меньше, чем КПД цикла Карно. Это утверждает теорема Карно. Согласно ей ни один двигатель, работающий между двумя тепловыми резервуарами, не может быть более эффективным, чем двигатель Карно.