Цикл Карно: четыре стадии, КПД и разбор для ЕГЭ

Цикл Карно: четыре стадии, КПД и разбор для ЕГЭ
Коротко

Цикл Карно — идеальный круговой процесс из четырёх стадий.

  • Расширение — сначала газ изотермически расширяется при температуре нагревателя T₁, потом расширяется адиабатически и охлаждается до T₂.
  • Сжатие — затем идёт изотермическое сжатие при T₂ и адиабатическое сжатие, при котором газ нагревается обратно до T₁.
  • Модель — в школьной модели рабочее тело — идеальный газ, все процессы обратимы.
  • КПД — КПД цикла Карно η = 1 − T₂/T₁. Это максимально возможный КПД тепловой машины с заданными температурами нагревателя и холодильника.
  • Кельвины — температуры подставляют только в Кельвинах. Если в условии даны градусы Цельсия, сначала переведи их по формуле T = t + 273.

Как это спрашивают на экзамене

Типовые формулировки

Тема встречается в расчётных задачах и в качественных, где физику нужно объяснить словами. Типичные формулировки:

«Идеальная тепловая машина работает по циклу Карно. Температура нагревателя T₁, температура холодильника T₂. Найдите КПД машины».
«По температурам нагревателя и холодильника найдите КПД идеальной тепловой машины».
«По известному КПД и температуре нагревателя определите температуру холодильника».
«Объясните, почему реальная тепловая машина не может иметь КПД выше карновского».

Главное: если в условии есть слова «идеальная тепловая машина» и две температуры, тебе понадобится формула η = 1 − T₂/T₁ — прямо или в преобразованном виде.

Что такое цикл Карно: определение и история

Цикл Карно — идеальный круговой процесс из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Изотермический процесс идёт при постоянной температуре, адиабатный — без теплообмена с окружающей средой.

Этот теоретический цикл предложил французский инженер Сади Карно (Sadi Carnot) в 1824 году в работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Вопрос у Карно был практический: какую наибольшую работу можно получить от тепловой машины?

В школьной модели рабочим телом служит идеальный газ, хотя сам цикл и теорема Карно от выбора рабочего тела не зависят. Газ обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами:

  • Нагреватель — источник тепла с температурой T₁.
  • Холодильник — теплоприёмник с температурой T₂, причём T₁ > T₂.

Роли резервуаров легче запомнить на реальной машине.

Пример: в паровой машине нагреватель — топка котла, а холодильник — окружающий воздух.

Главная особенность цикла — обратимость. Если провести его в обратном направлении, и газ, и окружающие тела вернутся в исходные состояния, не оставив никаких изменений в природе.

Закон сохранения энергии здесь ни при чём: он выполняется и для необратимых процессов.

Реальные процессы необратимы из-за трения и теплообмена при конечной разности температур. Отсюда вывод для качественных вопросов: КПД реальных машин ниже карновского.

Четыре стадии цикла: таблица и диаграмма p-V

Проследи за газом по всем четырём стадиям. Пусть газ стартует из состояния 1 с температурой T₁.

  1. Изотермическое расширение при T₁. Газ получает от нагревателя количество теплоты Q₁, расширяется и совершает работу.
  2. Адиабатическое расширение. Теплообмена нет, Q = 0. Газ совершает работу за счёт внутренней энергии, температура падает от T₁ до T₂.
  3. Изотермическое сжатие при T₂. Внешние силы совершают работу над газом, газ отдаёт холодильнику количество теплоты Q₂.
  4. Адиабатическое сжатие: Q = 0, температура растёт от T₂ до T₁. Газ возвращается в исходное состояние, цикл замыкается.
Стадия Тип процесса Теплота Работа
1→2 Изотермическое расширение, T = T₁ Газ получает Q₁ Газ совершает работу
2→3 Адиабатическое расширение Q = 0 Газ совершает работу
3→4 Изотермическое сжатие, T = T₂ Газ отдаёт Q₂ Работа совершается над газом
4→1 Адиабатическое сжатие Q = 0 Работа совершается над газом

Параметры газа меняются так:

Стадия Давление p Объём V Температура T
1→2 падает растёт T₁ = const
2→3 падает растёт падает до T₂
3→4 растёт падает T₂ = const
4→1 растёт падает растёт до T₁

На диаграмме p-V цикл выглядит как замкнутая кривая из четырёх участков.

  • Изотермы — гиперболы pV = const.
  • Адиабаты идут круче, их уравнение pV^γ = const, где γ = C_p/C_V — показатель адиабаты.
  • Площадь, ограниченная контуром, равна полезной работе газа за цикл.
  • Обход по часовой стрелке соответствует тепловой машине.
  • Если пройти кривую против часовой стрелки, получится обратный цикл — холодильная машина.

Формула КПД и почему температуры в Кельвинах

КПД тепловой машины по определению:

η = A/Q₁,

где:

  • η — КПД, безразмерная величина;
  • A — полезная работа за цикл, Дж;
  • Q₁ — количество теплоты, полученное от нагревателя, Дж.

По закону сохранения энергии A = Q₁ − Q₂, где Q₂ — количество теплоты, отданное холодильнику, Дж. Отсюда:

η = (Q₁ − Q₂)/Q₁ = 1 − Q₂/Q₁.

Для цикла Карно выполняется соотношение Q₁/T₁ = Q₂/T₂, где T₁ и T₂ — абсолютные температуры нагревателя и холодильника, К.

Для идеального газа его можно получить из стадий цикла:

  • На изотерме внутренняя энергия не меняется, и вся теплота идёт на работу: Q₁ = νRT₁·ln(V₂/V₁), Q₂ = νRT₂·ln(V₃/V₄).
  • Из уравнений двух адиабат (TV^(γ−1) = const) следует V₂/V₁ = V₃/V₄.
  • Логарифмы сокращаются, и остаётся Q₁/T₁ = Q₂/T₂.

Подставляем это соотношение и получаем главную формулу темы:

η = 1 − T₂/T₁ = (T₁ − T₂)/T₁.

Температуры здесь подставляют только в Кельвинах: соотношение Q₁/T₁ = Q₂/T₂ верно лишь для абсолютной термодинамической шкалы.

Перевод: T(К) = t(°C) + 273,15, в школьных задачах округляют до 273.

Пример: при T₁ = 400 К и T₂ = 300 К КПД равен η = 1 − 300/400 = 0,25, или 25 %.

Если подставить те же температуры в Цельсиях (127 °C и 27 °C), выйдет 1 − 27/127 ≈ 0,79 — больше правильного ответа в три с лишним раза.

КПД цикла Карно зависит только от двух температур, а не от устройства машины.

Теорема Карно: почему это максимальный КПД

Теорема Карно утверждает: КПД любой тепловой машины с нагревателем температуры T₁ и холодильником температуры T₂ не превышает КПД цикла Карно с теми же температурами. Все обратимые машины, работающие между этими резервуарами, имеют одинаковый, карновский КПД.

Предел задаёт второе начало термодинамики: в циклическом процессе нельзя полностью превратить полученную теплоту в работу, часть теплоты Q₂ обязательно уходит холодильнику.

Даже обратимая машина отдаёт минимум Q₂ = Q₁·T₂/T₁. В реальной машине добавляются трение и теплообмен при конечной разности температур, и КПД снижается ещё сильнее.

Запомни два следствия для качественных вопросов:

  • Первое: КПД тепловой машины не может равняться единице. Для этого нужен холодильник с T₂ = 0 К, а абсолютный нуль недостижим.
  • Второе: если в задаче заявлен КПД выше карновского для тех же температур, такая машина невозможна.

Пример: при 400 К и 300 К машина с КПД 30 % существовать не может: предел здесь 25 %.

Разбор задания

Условие. Идеальная тепловая машина работает по циклу Карно. Температура нагревателя 227 °C, температура холодильника 27 °C. За один цикл машина получает от нагревателя 600 Дж теплоты. Найди КПД машины и полезную работу за цикл.

Шаг 1. Переведи температуры в Кельвины: T₁ = 227 + 273 = 500 К, T₂ = 27 + 273 = 300 К.

Шаг 2. Найди КПД: η = 1 − T₂/T₁ = 1 − 300/500 = 0,4, или 40 %.

Шаг 3. Вырази работу из определения КПД: A = ηQ₁ = 0,4 · 600 = 240 Дж.

Ответ: η = 0,4; A = 240 Дж.

Проверка. Холодильнику уходит Q₂ = Q₁(1 − η) = 600 · 0,6 = 360 Дж, и Q₁ − Q₂ = 240 Дж — совпадает с найденной работой.

Убедись, что:

  • температуры подставлены в Кельвинах;
  • T₁ > T₂;
  • КПД попал в диапазон 0 ≤ η < 1.

С Цельсиями вышло бы 1 − 27/227 ≈ 0,88: число формально в диапазоне, но ответ неверный, поэтому шкалу температур проверяй первой.

В обратных задачах ту же формулу преобразуют:

  • температура холодильника: T₂ = T₁(1 − η);
  • температура нагревателя: T₁ = T₂/(1 − η);
  • теплота, отданная холодильнику: Q₂ = Q₁(1 − η);
  • полезная работа: A = ηQ₁.

Ошибки, за которые снимают баллы

Сверь свои решения с этим списком типичных ошибок по теме.

  1. Температуры в градусах Цельсия. В формулу η = 1 − T₂/T₁ подставляют только Кельвины.
  2. Перепутаны T₁ и T₂. В числителе дроби T₂/T₁ стоит меньшая температура. Получился отрицательный КПД — значит, температуры стоят не на своих местах.
  3. Формулу η = 1 − T₂/T₁ применили к реальной машине. Она даёт лишь верхнюю границу, а КПД реальной машины считают через η = A/Q₁.
  4. Потеряна теплота Q₂. Работа за цикл равна не Q₁, а разности Q₁ − Q₂: часть теплоты обязательно отдаётся холодильнику.
  5. Путаница долей и процентов. Если η = 40 %, в формулы подставляют долю 0,4, а не число 40.

Шпаргалка

Перед экзаменом повтори этот минимум.

  • Стадии: изотермическое расширение (T₁, газ получает Q₁) → адиабатическое расширение (Q = 0, охлаждение до T₂) → изотермическое сжатие (T₂, газ отдаёт Q₂) → адиабатическое сжатие (Q = 0, нагрев до T₁).
  • КПД: η = A/Q₁ = (Q₁ − Q₂)/Q₁ = 1 − T₂/T₁ = (T₁ − T₂)/T₁.
  • Соотношение: Q₁/T₁ = Q₂/T₂ — для цикла Карно.
  • Обратные задачи: T₂ = T₁(1 − η), T₁ = T₂/(1 − η), Q₂ = Q₁(1 − η), A = ηQ₁.
  • Кельвины: температуры только в Кельвинах, T = t + 273.
  • Верхняя граница: карновский КПД — верхняя граница для всех машин с теми же T₁ и T₂.
  • Диаграмма p-V: площадь внутри цикла равна работе; обход по часовой стрелке — тепловая машина, против — холодильная.

Проверь себя

Ответь на вопросы без подсказок, а потом сверься с ответами ниже.

Из каких процессов состоит цикл Карно?

два изотермических и два адиабатных процесса

T₁ = 600 К, T₂ = 300 К. Чему равен КПД идеальной машины?

η = 1 − 300/600 = 0,5

КПД машины Карно равен 60 %, температура нагревателя 500 К. Найди температуру холодильника.

T₂ = T₁(1 − η) = 500 · 0,4 = 200 К

Почему в формулу КПД нельзя подставлять градусы Цельсия?

соотношение Q₁/T₁ = Q₂/T₂ верно только для абсолютной шкалы

Может ли реальная машина с теми же температурами резервуаров иметь КПД выше карновского?

нет, это запрещает теорема Карно

Все пять ответов совпали — тема закрыта. Если нет, вернись к стадиям цикла и выводу формулы КПД: остальное строится на них.

Другие статьи по теме