На смерть Сади Карно. Энергетический баланс термодинамического цикла.
Работа - это произведение силы, приложенной к точке, на перемещение этой точки.
Рассмотрим работу некоторой силы F, монотонно возрастающей в течение конечного времени от t1 до t3 от нуля до некоторого значения Fk, и затем от t3 до t5 монотонно падающей до нуля.
Точкой приложения силы возьмем поршень идеального (идеального в смысле учебников термодинамики) цилиндра.
К началу эксперимента поршень неподвижен, то есть внешнее (атмосферное) Pa и внутреннее давление Pg в камере цилиндра уравновешивают друг друга. Начальная температура газа в камере равна T1.
В момент t1 приложим силу F к поршню во внешнем направлении.
В результате за время от t1 до t3 поршень переместится на некоторое расстояние, при этом внутреннее давление в камере цилиндра определяется законами термодинамики.
Сумма приложенной силы и силы внутреннего давления на поршень в каждый момент времени равна постоянному атмосферному давлению. Движение поршня обеспечивает превышение суммы силы атмосферного давления и приложенной силы над внутренним давлением на бесконечно малую величину на прямом ходе (от t1 до t3) и наоборот - на обратном (от t3 до t5) ходе поршня.
Во время от t1 до t2 температура внутри цилиндра стабилизуется нагревателем на уровне T1, во время от t2 до t3 камера теплоизолирована от среды, температура газа внутри нее адиабатически падает до T2.
Во время от t3 до t4 температура внутри цилиндра стабилизуется холодильником на уровне T2, во время от t4 до t5 камера теплоизолирована от среды, температура газа внутри нее адиабатически возрастает до T1.
Таким образом, диаграмма, связывающая величину внешней приложенной к поршню силы с перемещением поршня, может быть получена из соответствующей PV-диаграммы цикла Карно.
Положительная работа, совершаемая внешней силой за время от t1 до t3, по абсолютной величине меньше отрицательной работы, совершаемой ею за время от t3 до t5. Разность абсолютных величин численно равна разности между теплом, полученным от нагревателя, и теплом, отданным холодильнику.
Сумма работ внешней силы и силы внутреннего давления газа равна работе силы атмосферного давления, нулевой за цикл.
Причиной движения поршня является разность давлений. Без изменения внешней приложенной силы "машина Карно" не начнет двигаться никогда. Если зафиксировать внешнюю силу в любой момент цикла на определенном значении, система будет находиться в термодинамическом равновесии.
В рассмотренной системе нет ничего, что можно было бы назвать "полезной работой". Общая сумма энергий, полученных системой за цикл в результате работы внешних сил и в результате теплообмена, равна нулю.
Все, что было написано писателями за без малого две сотни лет о "максимальном КПД теплового двигателя", суть глупая псевдонаучная трескотня. Но Сади Карно в этом не виноват. Спи спокойно, Сади.
