Круговые термодинамические процессы (циклы)

В термодин процессах рассматривалось получение работы за счет подведенной теплоты и/или изменения внутр энергии рабочего тела. При однократном расширении газа можно получить лишь ограниченное кол-во работы, т.е. всегда наступит момент, когда температура и давление рабочего тела станут равными этим параметрам окр среды. И вследствие 2 закона термодинамики получение работы прекратится. Т.е. для получения дальнейшей работы необходимо возвратить раб тело в начальное состояние. (см рис). Если раб тело расширяется по 1-3, то оно совершает работу, равную площади 132451. По достижении точки 2, для дальнейшего совершения работы необходимо вернуть рабочее тело в состояние точки 1. В общем случае этот процесс может совершаться 3 путями.

Кривая сжатия 231 – совпадает с кривой расширения 132. В этом случае вся полученная при расширении работы пойдет на работу сжатия 123451, и положительная работа будет равна 0.

Кривая сжатия 261 – над линией 132. В этом случае работа расширения будет меньше, чем работа, затрачиваемая на сжатие. Положительная работа будет отрицательной.

Кривая сжатия 271 – под кривой 132. В этом случае положительная работ будет равна площади 13271 и, повторяя этот круговой процесс, можно получить любое кол-во работ.

Цикл, в рез-те которого получается положительная работа, называется прямым циклом или циклом теплового двигателя. Цикл, в кот расходуется работа (работа сжатия больше работы расширения) – обратный цикл – цикл холодильных установок.

Циклы бывают обратимые и необратимые. Обратимый – состоящий из обратимых равновесных процессов. Рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химич изменениям. Если хотя бы один из процессов необратим, то и весь цикл явл необратимым. Циклы всех реальных машин необратимы, однако их можно описать с помощью обратимых циклов, вводя соотв поправочные коэффициенты.

На пути 132 тело совершает работу расширения за счет кол-ва теплоты Q₁, подведенного извне и частично – за счет изменения собств внутр энергии. На обратном пути 271 затрачивается работа сжатия, часть которой отводится внешнему источнику, а другая часть расходуется на увеличение внутр энергии в таком кол-ве, чтобы вернуться в начальное состояние. В рез-те этого прямого цикла вовне будет отдана положительная работа, равная . По первому закону термодинамики . Однако в цикле кол-во внутр энергии возвращается в нач состояние, т.е. q=w, т.е. .

Отношение удельного кол-ва теплоты, превращенного в положит работу за один цикл, ко всему удельному кол-ву теплоты, подведенному к раб телу, - термический КПД прямого цикла. . Значение для машины является показателем совершенства цикла этого теплового двигателя, т.е. чем больше , тем большая часть подведенной теплоты превращается в работу и тем меньшая часть будет безвозвратно отдана окр среде (диссипация). Термический КПД не может достигнуть 1 из-за конечности материальных объектов.

Обратный цикл 13261: расширение при более низкой температуре, чем сжатие и положительная работа отрицательна, т.е. такой цикл может быть совершен только при затрате внешней работы. В этом цикле подводится теплота q₂, затрачивается удельная работа w, которая переходит в равное удельное кол-во теплоты, т.е.: . Степень совершенства обратного цикла определяется холодильным коэффициентом: . Он показывает, какое кол-во теплоты отнимается от рабочего тела при затрате одной единицы работы. Как правило он больше 1.

 

 

Обратный цикл Карно.

См рис. Рабочее телос нач параметрами в т. а расширяется адиабатно за счет собств внутр энергии, теряя при этом температуру от Т₁ до Т₂. Дальнейшее расширение идет по изотерме, и рабочее тело отбирает от нижнего источника с Т₂ кол-во теплоты q₂. Далее рабочее тело сжимают сначала по адиабате, при этом температура увеличивается с Т₂ до Т₁, а потом – по изотерме (Т₁=const). При этом рабочее тело отдает верхнему источнику (с температурой Т₁) кол-во теплоты q₁. Т.к. сжатие происходит с температурой большей, чем температура расширения, работа сжатия будет больше работы расширения на величину площади цикла abcd в pv координатах. Эта работа превращается в теплоту и вместе с теплотой q₂ передается верхнему источнику. Т.о., затратив работу l_у, можно перенести теплоту от источника с меньшей температурой к источнику с большей. При этом нижний отдаст q₂, а верхний получит . В настоящее время по обратному циклу работают 2 группы машин: холодильные установки, тепловые насосы.