Круговые процессы

Термодинамический процесс, при котором рабочее тело, проходя через последовательный ряд не совпадающих между собой состояний, возвращается в первоначальное состояние, называется круговым процессом или циклом. С помощью таких циклов можно провести анализ работы, а также оценить совершенство реальных тепловых двигателей. При рассмотрении круговых процессов считается, что рабочее тело не изменяет своего химического состава, тепло подводится от внешних источников, называемых теплоотдатчиками, и отводится к внешним приемникам тепла – теплоприемниками. Процессы, если это специально не оговорено, считаются обратимыми. Согласно первому закону термодинамики, а также учитывая, что рабочее тело возвращается в первоначальное состояние (∆ u=0), полезная работа l₀ за один цикл будет равна разности между подведенным q₁ и отведенным q₂ теплом:

.

Цикл, происходящий по часовой стрелке, называется прямым циклом, или термодинамическим циклом теплового двигателя, в результате осуществления которого получается полезная работа. С точки зрения эффективности работы теплового двигателя важно, чтобы возможно большая часть подведенного тепла была превращена в полезную работу. Поэтому основным критерием совершенства идеального двигателя является так называемый термический коэффициент полезного действия (к.п.д.), равный отношению полезной работы за цикл ко всему подведенному в цикле теплу:

.

Если круговой процесс осуществить против часовой стрелки, то тогда работа сжатия будет больше работы расширения и в результате должна быть затрачена извне работа, равная по абсолютной величине . При этом тепло , отнятое от теплоотдатчиков с низкой температурой, будет передано теплоприемникам с более высокой температурой. Затраченная работа также будет передана теплоприемникам: . Циклы, осуществляемые в направлении против часовой стрелки, называются обратными и являются циклами холодильных машин. Показателем эффективности этих циклов будет так называемый холодильный коэффициент, представляющий собой отношение отнятого от теплоотдатчиков тепла к затраченной для этого работе :

.

Из рассмотрения круговых процессов следует, что обязательным условием их осуществления должно быть наличие теплоотдатчиков и теплоприемников. В предельном случае цикл можно осуществить при одном теплоотдатчике и одном теплоприемнике, имеющих постоянные температуры. Таким циклом является цикл Карно, который состоит из двух изотерм и двух адиабат. Термический к.п.д. обратимого цикла Карно

.

Термический к.п.д. цикла будет тем выше, чем больше интервал температур, в котором он осуществляется. Видно также, что термический к.п.д. не может быть равен единице, так как условия ∞ или неосуществимы. Как показывают более детальные исследования, прямой обратимый цикл Карно обладает максимальным термическим к.п.д. по сравнению с любым произвольным обратимым циклом, осуществленным в том же интервале температур. Таким образом, цикл Карно имеет большое практическое значение, так как позволяет судить о степени совершенства того или иного реального цикла теплового двигателя.