Цикъл на Карно - теоретичните основи на конструкцията и работата на всички двигатели с вътрешно горене
Сред всички циклични термодинамични процеси цикълът на Карно има специално теоретично значение и практическо приложение. Често се нарича ненадминат, велик, идеален и т.н. И за мнозина като цяло изглежда нещо мистериозно и неразбираемо. Въпреки това, ако всички акценти са правилно поставени, тогава цялата простота, гениалност и красота на това изобретение, което беше открито от френския учен и инженер Сади Карно, веднага ще се отвори. И ще стане ясно, че в предложения от него процес няма нищо свръхестествено, а само максимално ефективно използване на някои закони на природата.
И така, какво точно представлява известният и мистериозен цикъл на Карно? Може да се дефинира като квазистатичен процес, базиран на привеждане на термодинамичната система в термичен контакт с двойка термостатични резервоари с постоянни и стабилни температурни стойности. Приема се, че температурата на първия (нагревател) надвишава тази на втория (хладилник). Цикълът на Карно се състои в това, че първо термодинамична система, първоначално имаща определена топлинна стойност, влиза в контакт с нагревател. След това, чрез безкрайно бавно намаляване на налягането, в него се предизвиква квазистатично разширение, придружено от заемане на топлина от нагревателя и устойчивост на външно налягане.
След това системата се изолира, което отново предизвиква квазистатично адиабатно разширение в нея, докато температурата й достигне тази на хладилника. При този тип разширение термодинамичната система извършва и определена работа на устойчивост на външно налягане. В това състояние системата се привежда в контакт с хладилника, като непрекъснато се увеличава наляганетотя се компресира до определена точка, в резултат на което след това отдава изцяло на втория резервоар топлинната енергия, взета назаем от нагревателя. Цикълът на Карно е уникален с това, че не е придружен от загуба на топлина. Теоретично такава схема може да се нарече вечен двигател. Това е така, защото топлинната ефективност на цикъла на Карно, зависеща единствено от температурите на двойка резервоари, винаги ще бъде най-високата възможна. Досега обаче никой не е успял да създаде машина, чиято топлинна ефективност да надвишава тридесет процента от допустимата от цикличния процес на Сади Карно.
И този процес се нарича идеален, тъй като е много по-добър от други цикли, способни да преобразуват топлината в полезна работа. От друга страна, поради трудностите при организиране и провеждане на изотермични процеси, приложението му в реални двигатели е изключително трудно. За максимална ефективност на топлообмен, такава машина трябва да бъде напълно изолирана от външната среда, което реално е почти невъзможно.
Обратният цикъл на Карно е в основата на принципа на работа на термопомпата, която, за разлика от хладилника, трябва да даде възможно най-много енергия на някакъв горещ обект, като например отоплителна система. Част от топлината се заема от външната среда, която има по-ниска температура, останалата част от необходимата енергия се освобождава при извършване на механична работа, като например компресор.