Цикл Карно: основні процеси і принципи роботи
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Французький вчений Саді Карно увійшов в історію науки як «батько термодинаміки», адже саме він першим сформулював теорію про тепловий двигун, відому сьогодні власне як «цикл Карно». Книга Карно «Роздуми про рушійну силу пари» стала фундаментом для другого закону термодинаміки. Наукові дослідження Карно призвели до виникнення концепції «термодинамічної системи», що дала згодом основу для багатьох інших майбутніх відкриттів у фізиці.
Коротка біографія вченого
Ніколя Леонард Саді Карно (саме таке повне ім’я вченого) народився в 1796 році в Парижі в сім’ї високопоставленого військового, інженера і вченого Лазаря Карно. У той час для дітей багатих шляхетних європейців ще практикувалася домашня освіту, і юний Ніколя, як і його брат Іполит, отримав всебічну освіту в кращих традиціях того часу. Він вивчив кілька іноземних мов, був обізнаний в музиці і мистецтвах, як і академічних науках, більше всіх з яких хлопчика захоплювала, звичайно ж, фізика. Тому виявивши в собі здібності до навчання 16-річний Саді Карно в 1812 році вступає до «вищої Політехнічної школи» Парижа.
На той час це був кращий вуз Франції в технічній сфері, підтримку і заступництво якому надавав сам Наполеон Бонапарт, а в стінах Політехнічної школи Парижа працювали такі видатні французький вчені як Джозеф Луї Гей-Люссак, Симеон Дені Пуассон і Андре-Марі Ампер. Саме вони стали наставниками і вчителями Карно.
У той час в країнах Європи, і зокрема Франції активно йшла «промислова революція», як гриби після дощу відкривалися заводи і фабрики, і Карно зацікавився промисловим розвитком, який він вивчив у всіх аспектах. Він часто відвідував фабрики і майстерні, вивчав принципи роботи верстатів і організації ефективної праці робітників. Напевно, в одну з таких «екскурсій» ним опанувала ідея створення максимально ефективного парового двигуна, що задала вектор його майбутніх наукових пошуків.
Після закінчення навчання як і батько Саді Карно якийсь час служив в армії в якості військового інженера, але військова служба була йому не так близька, до того ж позначилася несприятлива політична обстановка: батько Карно, Лазар Карно був близьким соратником Наполеона, але після повалення і вигнання легендарного імператора Франції, сам Лазар теж потрапив в опалу і був змушений покинути країну. Вигнання батька погано позначилося на військовій кар’єрі сина, нова влада просто ігнорувала його численні звіти з інспектування фортифікаційних споруд. Тому в 1831 році Саді Карно пішов у відставку і повністю присвятив себе науковій діяльності.
Як ми писали вище Карно хотів створити ідеальний паровий двигун, тому почав активно досліджувати фізичні властивості пари, як і різних газів, особливо того, що стосувалося зв’язку температури і тиску. В ході цих дослідження він і зробив свої дивовижні наукові відкриття. На жаль, життя вченого обірвалося в результаті епідемії холери, коли йому було лише 36 років, 24 серпня 1832 його не стало, зате залишилися його відкриття в сфері термодинаміки, про які ми поговоримо далі.
Принцип роботи циклу Карно
У термодинаміці цикл Карно це ідеальний круговий процес, що складається з двох адіабатних (коли система не обмінюється теплотою з навколишнім простором) і двох ізотермічних процесів (що відбуваються в системі при постійній температурі). Цикл Карно забезпечує максимально можливу межу ефективності для будь-якого класичного парового (термодинамічного) двигуна під час перетворення тепла в роботу і навпаки.
Паровий двигун є яскравим прикладом термодинамічної системи, тобто, кажучи простою мовою, термодинамічна система це якесь фізичне тіло (або сукупність тіл), в яких під дією температури здійснюється якась робота (зазвичай механічна, як у випадку з паровим двигуном). Кожна термодинамічна система проходить через ряд різних станів, і після повернення системи в свій початковий стан завершується термодинамічний цикл. В процесі проходження циклу виконується певна робота, скажімо переміщення поршня в тому ж паровому двигуні.
Згідно циклу Карно термодинамічна система проходить через чотири стадії:
1. Ізотермічне розширення. На початку процесу робоче тіло має температуру Тн, тобто температуру нагрівача. При розширенні робочого тіла його температура не падає за рахунок передачі від нагрівача кількості теплоти Qн, тобто розширення відбувається ізотермічно (при постійній температурі). При цьому обсяг робочого тіла збільшується, воно здійснює механічну роботу, а його ентропія зростає.
2. Адіабатичне розширення. Робоче тіло від’єднується від нагрівача і продовжує розширюватися без теплообміну з навколишнім середовищем. При цьому температура тіла зменшується до температури холодильника Тх, тіло здійснює механічну роботу, а ентропія залишається постійною.
3. Ізотермічне стиснення. Робоче тіло, що має температуру Тх, приводиться в контакт з холодильником і починає ізотермічно стискатися під дією зовнішньої сили, віддаючи холодильнику кількість теплоти Qх. Над тілом відбувається робота, його ентропія зменшується.
4. Адіабатичний стиск. Робоче тіло від’єднується від холодильника і стискається під дією зовнішньої сили без теплообміну з навколишнім середовищем. При цьому його температура збільшується до температури нагрівача, над тілом відбувається робота, його ентропія залишається постійною.
Термодинамічна система, що проходить через цикл Карно, являє собою ідеальний тепловий двигун, який існує лише в теорії. На практиці вдалося побудувати лише двигун більш-менш наближений до «ідеалу».
Зворотний цикл
Класичний цикл Карно можна «звернути назад», тоді він стане так званим «холодильним циклом Карно» або зворотним циклом. Технічно це точно такий же цикл, тільки напрямки теплових взаємодій в ньому міняються місцями.
Якщо ж в циклі виникає передача теплоти при наявності різниці температур, а такими є всі реалізації термодинамічних циклів на практиці в реальному житті, то такий цикл стає незворотнім. ККД його буде завжди менше, ніж ККД циклу Карно. Це стверджує теорема Карно. Згідно з нею жоден двигун, що працює між двома тепловими резервуарами, не може бути більш ефективним, ніж двигун Карно.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.