Изотермические стадии цикла Карно

Постоянная температура как условие процесса

Изотермическим называют процесс, в котором температура рабочего тела остаётся постоянной. В цикле Карно таких участков два, и оба связаны с резервуарами: один с горячим, другой с холодным. Сохранить температуру во время изменения объёма не значит оставить вещество без изменений. Давление и объём меняются весьма заметно; постоянной удерживают именно температуру.

Для идеального газа это можно увидеть на простом учебном примере. При постоянной температуре расширение увеличивает объём и уменьшает давление. Чтобы газ не охладился, к нему должна поступать теплота. При сжатии происходит обратная ситуация: внешняя сила уменьшает объём, а избыток энергии должен быть отведён, иначе температура начнёт расти. Этот пример поясняет модель, но не является опытом Карно и не описывает все реальные рабочие вещества.

Верхняя изотерма: приём теплоты

На верхней изотермической стадии рабочее тело соприкасается с горячим резервуаром. Оно расширяется, получая от него теплоту, и сохраняет высокую температуру. В идеальном пределе между телом и резервуаром нет заметной разницы температур: обмен идёт настолько постепенно, что процесс можно обратить без добавочных потерь. Настоящему теплообменнику такая деликатность обычно кажется роскошью, поскольку ему ещё нужно передать ощутимое количество теплоты за конечное время.

Расширение на этой стадии связано с полезной работой. Рабочее тело, например газ под поршнем, давит наружу. Но работу нельзя приписывать одному лишь контакту с горячим телом: дальше состояние надо подготовить к холодной части цикла. Для этого служит следующая адиабатическая стадия, на которой обмен теплотой прекращён, а расширение понижает температуру рабочего тела до температуры холодного резервуара.

Нижняя изотерма: отдача теплоты

На нижней изотерме рабочее тело находится в контакте с холодным резервуаром и сжимается. При сжатии оно отдаёт теплоту, сохраняя низкую температуру. Эта стадия симметрична верхней лишь по форме, но выполняет другую задачу: не снабжает тело теплотой для расширения, а освобождает его от теплоты перед возвращением в исходное состояние.

После нижней изотермы адиабатическое сжатие повышает температуру тела до верхней. Затем можно снова начать горячее изотермическое расширение. Адиабаты поэтому не являются второстепенными перемычками на рисунке: без них две изотермы не оказались бы на нужных температурных уровнях и не составили бы единого цикла.

В первоначальной калорической трактовке предполагалось, что на верхней и нижней изотермах проходит одно и то же количество теплорода: вещество как бы переносит его от горячего резервуара к холодному. Позднее представление о теплоте было пересмотрено, однако различие функций двух изотерм осталось ясным. Одна связана с получением теплоты при высокой температуре, другая — с отдачей при низкой. Именно эта пара, а не отдельная «горячая фаза», задаёт каркас идеального цикла.

В современном описании теплота не сохраняется как особое вещество. За замкнутый цикл рабочее тело возвращается к исходной внутренней энергии, поэтому разность полученной и отданной теплоты равна работе двигателя: W = Qгор − Qхол. Это баланс полного цикла, а не требование равенства тепловых потоков на двух изотермах. Он показывает, почему историческую картину переноса теплорода нельзя буквально подставлять в нынешний энергетический расчёт.