Детская энциклопедия
Том 1. Земля. Том 4. Растения и животные. Том 7. Человек. Том 10. Зарубежные страны.
Том 2. Мир небесных тел. Числа и фигуры. Том 5. Техника и производство. Том 8. Из истории человеческого общества. Том 11. Язык. Художественная литература.
Том 3. Вещество и энергия. Том 6. Сельское хозяйство. Том 9. Наша советская Родина. Том 12. Искусство.

Рис. 16. Цикл работы идеальной машины Карно. Стенка цилиндра приходит в соприкосновение с нагревателем. Рабочее вещество (у Карно — воздух) начинает изотермически расширяться от начального объема 1 до объема 2. Пор­шень поднимается. Нагреватель передает рабочему веществу столько тепла, сколько необходимо для поддержания постоянной температуры. Количество твер­дого свинца увеличивается, жидкого — уменьшается. Цилиндр снят с нагрева­теля. Поступление тепла прекращено, но рабочее вещество продолжает расширять­ся и поршень продолжает подниматься, совершая в адиабатических условиях максимальное количество работы (например, поднимает груз). Температура воз­духа падает и достигает температуры холодильника. При этом рабочий газ рас­ширяется до объема 3. Цилиндр приводится в соприкосновение с холодильни­ком. Воздух изотермически сжимается до объема 4. Для этого нужно затра­тить работу. Поршень с грузом опускается. Чтобы температура оставалась постоянной, тепло отводится от рабочего вещества через стенку в холодиль­ник. часть льда тает — количество воды увеличивается. Снова прекращается контакт цилиндра, теперь уже с холодильником. Источник работы (например, опускающийся груз) сжимает газ адиабатически. Температура его повышается, пока не достигнет температуры нагревателя. Цикл завершен. Количество тепла, полученное цилиндром от нагревателя, больше, чем переданное цилиндром хо­лодильнику. Разность теплоты затрачена на то, чтобы совершить работу. Цикл Карно изображен на чертеже дважды. I — так его изображают обычно во всех учебниках и книгах, жертвуя точностью ради наглядности. Что­бы представить себе, как в действительности выглядит график цикла Карно, рядом приведено его точное изображение II для одного моля одноатомного идеального газа (гелия) в пределах от Тх =100°Ц до Тн =500° Ц. Этот чертеж стоит внимательно рассмотреть. На нем объемы выражены в молярных объемах, давление в атмосферах. Нанесены три изотермы: 0° Ц, 100° Ц и 500° Ц. Точно проведены и линии адиабат. Выигрыш работы представлен заштрихованной пло­щадью цикла.

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, а она не меняется. Сле­довательно, газ совершает работу только за счет тепла, полученного от нагревателя. И работа равна теплу:

Qн=RTнln(v2/v1).

При адиабатическом расширении газ работу совершает, а тепла не получает.

При изотермическом сжатии при температуре холодильника над газом приходится совершать работу. На этом участке цикла будет затрачена работа:

Аx=RTхln(v4/v3).

При изотермическом сжатии тепло, выделяющееся при по­стоянной температуре, полно­стью передается холодильнику, потому что внутренняя энергия газа остается постоянной:

Ax=Qx=RTxln(v4/v3).

На последнем этапе прихо­дится затрачивать работу, но при адиабатическом сжатии газ не выделяет тепло: работа це­ликом идет на повышение вну­тренней энергии газа. Сжатие должно продолжаться, пока не будет достигнута исходная тем­пература. Цикл закончен.

От нагревателя машина по­лучила Qн джоулей тепла. От­дала холодильнику Qх джоулей. В работу превращено по перво­му началу термодинамики Qн-Qx джоулей. Таким образом, машина смогла превратить в ра­боту не все тепло, полученное от нагревателя, а только часть его:

h(Qн-Qx)/Qн. Эта величина называется в термодинамике коэффициентом полезного действия машины.

Мы его можем легко вычи­слить, если примем во внима­ние, что, по условиям адиабати­ческого сжатия, объем газа из­меняется в одно и то же число

т. е.  v1/v2=v4/v3.

Подставляя значения Qн и Qх, получим после сокращения замечательный результат: коэффициент полезного действия тепловой ма­шины, работающей по циклу Карно, равен

h=(Tн-Tx)/Tx.

Он определяется только температурами нагре­вателя и холодильника и не зависит больше ни от чего.

156