Цикл Карно – теоретичні основи пристрою та роботи всіх двигунів внутрішнього згоряння
Серед усіх циклічних термодинамічних процесів особливе теоретичне значення та практичне застосування має цикл Карно. Часто його називають неперевершеним, великим, ідеальним тощо. буд. А багатьом він взагалі здається чимось загадковим і незрозумілим. Однак якщо правильно розставити всі акценти, то миттєво відкриються вся простота, геніальність і краса цього винаходу, який був відкритий французьким ученим та інженером Саді Карно. І стане зрозуміло, що нічого надприродного у запропонованому ним процесі немає, а є лише максимально ефективне використання деяких законів природи.
Так що ж насправді являє собою знаменитий і таємничий цикл Карно? Його можна визначити як квазістатичний процес, заснований на приведенні термодинамічної системи теплового контакту з парою резервуарів-термостатів, що мають постійні та стійкі температурні значення. Передбачається, що температура першого (нагрівача) перевищує аналогічний показник другого (холодильника). Цикл Карно полягає в тому, що спочатку термодинамічна система, що спочатку має певне теплове значення, вступає в контакт з нагрівачем. Потім шляхом нескінченно повільного зменшення тиску в ній викликається квазістатичне розширення, що супроводжується запозиченням теплоти від нагрівача та опором зовнішнього тиску.
Після цього система ізолюється, що знову ж таки викликає в ній квазістатичне розширення по адіабаті, поки її температура не досягне аналогічних показників холодильника. За такого типу розширення термодинамічної системою також відбувається деяка робота опору зовнішньому тиску. У такому стані система приводиться в контакт з холодильником, при цьому шляхом безперервного збільшення тискувона стискається до певного моменту, внаслідок чого потім у повному обсязі віддає другому резервуару теплову енергію, запозичену від нагрівача. Цикл Карно унікальний тим, що не супроводжується втратою тепла. Теоретично таку схему можна назвати вічним двигуном. Це все тому, що термічний ККД циклу Карно, що залежить виключно від температур пари резервуарів, завжди буде максимально можливим. Однак поки ніхто не зумів створити машину, теплова ефективність якої перевищувала б тридцять відсотків від Саді Карно, що допускається циклічним процесом.
А цей процес називають ідеальним, оскільки він набагато кращий за інші цикли здатний перетворювати теплоту на корисну роботу. З іншого боку, через труднощі в організації та проведенні ізотермічних процесів його застосування у реальних двигунах надзвичайно утруднене. Для максимальної ефективності теплопередачі таку машину потрібно повністю ізолювати від зовнішнього середовища, що практично неможливо.
Зворотний цикл Карно лежить в основі принципу дії теплового насоса, який, на відміну від холодильної машини, повинен якнайбільше віддати енергії будь-якому гарячому об'єкту, наприклад опалювальній системі. Деяка частина тепла запозичується із зовнішнього середовища, що має нижчу температуру, решта необхідної енергії виділяється при виконанні механічної роботи, наприклад компресором.