Обратный обратимый цикл Карно

Цикл Карно может протекать не только в прямом, но и в обратном направлении. На рис. 7.3. представлен обратный цикл Карно. Цикл состоит из обратимых процессов и в целом является обратимым.

Рис. 7.3. Обратный обратимый циклл Карно

Рабочее тело от начальной точки 1 расширяется по адиабате 1-4 без теплообмена с внешней средой, при этом температура уменьшается до . Затем следует дальнейшее расширение газа по изотерме 4-3 с подводом теплоты , которое отнимается от источника с низкой температурой . Далее следует адиабатное сжатие 3-2 с увеличением температуры рабочего тела от до . В течение последнего процесса происходит изотермическое сжатие 2-1, во время которого от к теплоприемнику с высокой температурой отводится удельное количество теплоты .

В обратном цикле затрачиваемая внешняя работа сжатия больше работы расширения на величину пл. 14321 внутри замкнутой линии цикла. Эта работа превращается в теплоту и передается вместе с теплотой источнику с температурой . Таким образом, затратив на осуществление обратного цикла удельную работу l, можно перенести от теплоприемника к теплоотдатчику единиц теплоты. При этом теплота, получаемая теплоприемником, .

Машина, работающая по обратному циклу, называется холодильной машиной.

Из рассмотрения обратного цикла Карно можно сделать вывод, что передача теплоты от источника с низкой температурой к источнику с высокой температурой, обязательно требует затраты энергии (то есть не может осуществляться без компенсации).

Характеристикой эффективности холодильных машин является холодильный коэффициент

, (7.3)

или для обратимого цикла Карно

. (7.4)

Холодильный коэффициент обратимого цикла Карно зависит от абсолютных температур и источников теплоты и обладает наибольшим значением по сравнению с холодильным коэффициентом других циклов, протекающих в тех же интервалах температур.

После рассмотрения прямого и обратного циклов Карно можно более подробно объяснить формулировку второго закона термодинамики, данную Клаузиусом.

Клазиус показал, что все естественные процессы, протекающие в природе, являются процессами самопроизвольными [их иногда называют положительными (или некомпенсированными) процессами] и не могут «сами собой» без компенсации протекать в обратном направлении.

К самопроизвольным процессам принадлежат: переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому; превращение работы в теплоту; взаимная диффузия жидкостей и газов; расширение газа в пустоту и т.п.

К несамопроизвольным относятся процессы противоположные вышеприведенным самопроизвольным процессам: переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому; превращение теплоты в работу; разделение на составные части диффундировавших друг в друге веществ и т.п. Процессы несамопроизвольные возможны, но они никогда не протекают «сами собой», без компенсации. Когда в несамопроизвольных процессах происходит преобразование теплоты в работу, то одновременно с охлаждением теплоотдатчика происходит еще и изменение термодинамического состояния одного или нескольких тел. Это изменение называют в термодинамике компенсацией превращения теплоты в работу.

Несамопроизвольные процессы возможны только тогда, когда они сопровождаются самопроизвольными процессами. Поэтому, например, в любом прямом круговом процессе несамопроизвольный процесс превращения теплоты в работу компенсируется одновременным самопроизвольным процессом передачи части подведенной теплоты от теплоотдатчика к теплоприемнику ().

При осуществлении обратного цикла несамопроизвольный процесс переноса теплоты от менее нагретого тела к более нагретому также возможен, но здесь он компенсируется самопроизвольным процессом превращения затраченной извне работы в теплоту ().

Таким образом, всякий несамопроизвольный процесс может только тогда произойти, когда он сопровождается компенсирующим самопроизвольным процессом.