Logo
Logo

Архив лорда Кельвина

Найдите максимально возможный КПД цикла.

Заметим, что цикл состоит из трех процессов, с теплоемкостями $\frac{5}{2} R$, $\frac{3}{2} R$ и $2 R$, значит первые два процесса — изохорический и изобарический соответственно. Выясним какой процесс имеет теплоемкость $2 R$. По определению теплоемкости
$$
C=\frac{\delta Q}{d T}=\frac{\frac{3}{2}(P d V+V d P)+P d V}{\frac{1}{R}(P d V+V d P)}=2 R,
$$
откуда получим $P d V=V d P$ или $\frac{P}{V}=\frac{d P}{d V}$, что соответствует процессу в котором давление пропорционально объему.
Заметим, что изохорический процесс на графике в условии представлен в виде точки, что означает, что по оси абсцисс отложен объем или плотность. Рассмотрим вариант, где по оси абсцисс отложен объем. Тогда используя тот факт, что один из процессов — это изобарическое расширение и что изохорический процесс происходит при наименьшем значении объема на изобаре, получаем следующий вид цикла (см. рисунок).

Найдем его КПД, обозначив минимальные давления и объем за $P_{0}$ и $V_{0}$. Здесь тепло подводится в изохорическом и изобарическом процессах.
$$
\eta=\frac{A}{Q_{+}}=\frac{\frac{1}{2} \cdot 2 P_{0} \cdot 2 V_{0}}{\frac{3}{2}\left(3 P_{0} \cdot 3 V_{0}-P_{0} V_{0}\right)+3 P_{0} \cdot\left(3 V_{0}-V_{0}\right)}=\frac{2 P_{0} V_{0}}{18 P_{0} V_{0}}=\frac{1}{9}.
$$
Если по оси абсцисс графика из условия отложена плотность или $\frac{1}{V}$, то соответствующий график процесса представлен на рисунке ниже.

Рассчитаем КПД цикла в этом случае. Тепло подводится только на участке, на котором $P \sim V$.
$$
\eta=\frac{A}{Q_{+}}=\frac{\frac{1}{2} \cdot 2 P_{0} \cdot 2 V_{0}}{\frac{3}{2}\left(3 P_{0} \cdot 3 V_{0}-P_{0} V_{0}\right)+\frac{P_{0}+3 P_{0}}{2} \cdot\left(3 V_{0}-V_{0}\right)}=\frac{2 P_{0} V_{0}}{16 P_{0} V_{0}}=\frac{1}{8}.
$$
Таким образом максимальный КПД цикла равен
$$
\eta=\frac{1}{8}.
$$

Ответ: $$
\eta=\frac{1}{8}.
$$