Приложение 1. По определению цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат.

По определению цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат.

Схематично представить себе конструкцию и работу ТСУ, в которой осуществляется прямой цикл Карно можно следующим образом.

Представим, что идеальный газ (рабочее тело) помещен в цилиндре под поршнем. Боковые стенки цилиндра и поршень абсолютно нетеплопроводны (идеально теплоизолированны), так что теплота может передаваться рабочему телу из окружающей среды только через основание цилиндра.

Будем считать: в окружающей среде имеются два источника теплоты, находящиеся при разных температурах. Температура первого – Т _max, второго – Т _min (это теплоприёмник). Теплоёмкость каждого из источников столь велика, что при теплообмене с рабочим телом их температура практически не изменяется (на практике такое условие выполняется для тел с очень большой массой). Давление над поршнем (в окружающей среде) может меняться требуемым для нас образом.

Схема работы рассматриваемой ТСУ приведена на рис. 1. где цифрами I, II, III, IV обозначены четыре процесса, происходящие с рабочим телом, с помощью которых в установке реализуется прямой цикл Карно: I – изотермический с подводом теплоты – процесс 1-2; II – адиабатный с отводом работы в окружающую среду – процесс 2-3; III – изотермический с отводом теплоты – процесс 3-4; IV – адиабатный с подводом механической работы из окружающей среды – процесс 4-1.

Рис. 1. Схема работы ТСУ, реализующей прямой цикл Карно:

I, III – схемы изотермических процессов; II, IV – схемы адиабатных процессов

Процесс 1-2 (изотермический). В начале процесса температура рабочего тела равна Т _max. Приводим дно цилиндра в соприкосновение с горячим источником теплоты. В результате в равновесном процессе при температуре Т _max рабочему телу передается подводимая теплота q _под. В ходе такого изотермического процесса рабочее тело расширяется. При таком расширении механическая работа, численно равная q _под, передаётся окружающей среде (это свойство изотермического процесса). В конце процесса подвод теплоты прекращается – цилиндр снимают с горячего источника и устанавливают на теплоизолятор.

Процесс 2-3 (адиабатный). Рабочее тело продолжает расширяться уже адиабатно – без подвода теплоты (в условиях полной теплоизоляции). При этом механическая работа продолжает передаваться окружающей среде за счет уменьшения внутренней энергии рабочего тела. Соответственно его температура в этом процессе снижается от Т _max до Т _min.

Процесс 3-4 – (изотермический). Цилиндр снимают с теплоизоляции и устанавливают на теплоприёмник, имеющий температуру Т _min. В равновесном процессе при постоянной температуре Т _min от рабочего тела теплоприемнику передается теплота q _отв. В ходе такого изотермического процесса рабочее тело сжимается. При таком сжатии механическая работа, численно равная q _отв, передается из окружающей среды рабочему телу (это свойство изотермического процесса). В конце процесса отвод теплоты заканчивается: цилиндр снимают с теплоприемника и снова устанавливают на теплоизолятор.

Процесс 4-1 (адиабатный). Дальнейшее сжатие рабочего тела происходит уже в адиабатном процессе – в условиях полной теплоизоляции. При этом механическая работа из окружающей среды продолжает подводиться к рабочему телу. В результате его внутренняя энергия возрастает. Соответственно температура рабочего тела также возрастает от Т _min до Т _max.

В результате описанных процессов параметры состояния рабочего тела принимают первоначальные значения.