Карно указывает, что процесс носит изотермический характер, поэтому вся теплота Н уходит на производство движущей силы М(1).
Это называется рабочим ходом, поскольку большинство движущей силы двигателя применяется именно на этой стадии.
Однако, чтобы двигатель был полезным, останавливаться на этом нельзя. Поршень должен снова опуститься на дно цилиндра, чтобы процесс можно было повторить.
СТАДИЯ 2
Чтобы поршень снова опустился вниз, толкающий его газ необходимо снова сжать. По мнению Карно, лучше всего для этого охладить его до минимально возможной температуры, поскольку сжимать холодный газ проще, чем горячий.
(Если вы в этом сомневаетесь, надуйте воздушный шарик и положите его в холодильник. Через несколько минут он значительно уменьшится в размере, поскольку воздух внутри него остынет и станет более “сжимаемым”. Именно поэтому зимой приспускаются автомобильные шины.)
Первая стадия цикла Карно
Но как лучше всего быстро охладить газ в цилиндре двигателя? Необходимо позволить ему произвести адиабатическое расширение и толкнуть поршень еще выше.
Таким образом, на этой стадии двигатель создает еще немного движущей силы, которую мы назовем М(2), а газ в цилиндре охлаждается до температуры Т (охладителя).
СТАДИЯ 3
Теперь температура газа гораздо ниже, а следовательно, газ гораздо легче поддается сжатию, и некоторая доля движущей силы М(1), произведенной на первой стадии, используется, чтобы толкнуть поршень вниз и снова сжать газ до небольшого объема. Назовем эту долю М(3).
Третья стадия цикла Карно
Карно указывает, что сжатие носит изотермический характер, поэтому М(3) минимальна.
(В соответствии с теорией теплорода Карно полагал, что в ходе этого сжатия вся теплота Н, вошедшая в газ на первой стадии, выходит из него в охладитель.)
По завершении этой стадии газ почти полностью сжат обратно в маленький объем, где он находился вначале. Однако для этого использовано некоторое количество М(3) движущей силы.
Когда поршень возвращается вниз, теплота выходит из газа и отправляется в “охладитель”.
СТАДИЯ 4
Теперь газ снова необходимо нагреть до температуры нагревателя, чтобы подготовиться к повторению первой стадии.
Однако, если использовать для этого теплоту из нагревателя, она будет потеряна, поскольку не сможет создать движущую силу. В связи с этим цилиндр снова герметично закрывается, и еще некоторое количество движущей силы М(ф) используется, чтобы опустить поршень и сжать газ. Поскольку теплота не может покинуть цилиндр, это адиабатическое сжатие приводит к повышению температуры газа до Т (нагревателя).
Теперь газ снова находится в том же состоянии, как и на первой стадии — он горяч и готов расшириться и снова толкнуть поршень.
Четвертая стадия точно противоположна второй. Движущая сила М(4), используемая на четвертой стадии, равна движущей силе М(2), созданной на второй стадии. Следовательно, они компенсируют друг друга.
Этот четырехступенчатый цикл, который инженеры и физики по всему миру сегодня называют циклом Карно, стал одним из величайших мысленных экспериментов в науке. Он позволил Карно оценить, каково максимальное количество движущей силы, которое теоретически можно получить из притока теплоты.
В ходе цикла количество теплоты Н вошло в газ из нагревателя и ушло в охладитель. Каково чистое количество произведенной движущей силы? М(1) минус М(3), то есть разница между количеством, созданным на первой стадии и использованным на третьей. Какова эффективность идеального двигателя? М(1) минус М(3), деленное на Н.
Путь к повышению эффективности двигателей был очевиден. Необходимо было как можно сильнее нагревать газ при расширении и как можно сильнее охлаждать его при сжатии. Чем горячее газы, тем с большей силой они расширяются. Чем они холоднее, тем легче их сжать. Следовательно, чем больше разница температур на этих стадиях, тем более эффективен двигатель.
Приложение 2
Как Клаузиус примирил закон сохранения энергии с идеями Сади Карно
Рудольф Клаузиус полагал, что теплота и работа преобразуются друг в друга, а для производства работы теплота должна перемещаться из горячей зоны в холодную. Он сделал первый верный анализ взаимосвязи работы и теплоты. Его идеи живут в каждом газовом, дизельном и реактивном двигателе, а также в паровых турбинах и ракетах.
Клаузиус начал с переосмысления идеального двигателя и четырехступенчатого цикла Карно, но держал в уме мысль о взаимопревращаемости работы и энергии. В ходе этого исследования Клаузиус выявил форму энергии, которая скрыта от глаз, и обозначил ее буквой U. Сегодня эту величину обычно называют внутренней энергией.
Представьте надутый воздушный шарик. Заключенный внутри него воздух, оказывая давление на оболочку шарика, представляет собой хранилище энергии, напоминающее аккумулятор, который хранит в себе электрическую энергию. Заряд аккумулятора можно расходовать и восполнять, и точно так же можно расходовать и восполнять внутреннюю энергию газа.
Если вы сожмете шарик руками, он окажет сопротивление и станет горячее. Это показывает, что усилие, которое вы прикладываете при сжатии, то есть выполняемая вами работа, еще сильнее повышает внутреннюю энергию заключенного внутри воздуха.
Теперь возьмите шарик в руки так, чтобы он не мог расшириться, и нагрейте его. Вы почувствуете, как давление и температура внутри шарика растут, а значит, добавляемая вами теплота превращается во внутреннюю энергию газа, повышая ее уровень.
Стадия 1. Изотермическое расширение
Внутреннюю энергию можно высвободить в форме теплоты. Если поместить надутый шарик в прохладное место, например в холодильник, он начнет отдавать свою внутреннюю энергию в форме теплоты, выпуская ее в окружающую среду, и по мере этого сжиматься и становиться холоднее.
Внутреннюю энергию можно также преобразовать обратно в работу. Пусть шарик лопнет. Часть его внутренней энергии проявит себя в хлопке, а часть — в полете клочков резины по комнате и смещении окружающего воздуха.
