Круговые процессы

Круговые процессы – это такие процессы, в которых рабочее тело, пройдя ряд равновесных состояний, возвращается в исходное состояние.

Круговые процессы необходимы для непрерывного производства работы в тепловых двигателях и установках. Рабочее тело многократно изменяет свое состояние по замкнутой кривой abcd и возвращается в начальное состояние a.

Рис. 1.9Прямой круговой процесс.

На участке abc рассматриваемого кругового процесса рабочее тело расширяется (прямой ход) и производит при этом положительную работу расширения, которая определяется площадью abcc^’a^’. Эта работа получается за счёт подвода удельной теплоты q₁ и изменения удельной внутренней энергии U_c-U_a, происходящего в соответствии с I законом термодинамики:

(1.78)

На участке cda рабочее тело возвращается в начальное состояние (обратный ход), при этом оно сжимается с затратой работы сжатия l_сж которая выражается площадью cdaa^’c^’.

По аналогии с прямым ходом справедливо соотношение:

(1.79)

Разность работы расширения и работы сжатия представляет собой полезную работу двигателя за один цикл:

. (1.80)

В зависимости от знака полезной работы различают два типа установок:

1 l₀> 0 – циклы тепловых установок (DBC, гидротурбинные установки и т.п.)

2 l₀< 0 – циклы холодильных установок.

На рис. 1.9 изображён круговой цикл тепловой установки:

,

На рис.1.10 изображён круговой цикл холодильной установки:

,

Рис. 1.10-Круговой цикл холодильной установки

Из выражений (1.73), (1.74) находим:

(1.81)

Где -количество удельной теплоты подводимой по линии расширения abc;

- количество удельной теплоты от отводимой по линии сжатия cda.

Величина - называется полезным теплом цикла.

Для кругового цикла тепловой установки характерно, что количество тепла подведённого в процессе расширения, больше количество тепла отводимого в процессе сжатия.

Рис. 1.11

(1.82)

Для кругового цикла холодильной установки характерно:

Рис.1.13

(1.83)

Количество полезного тепла уходит на совершение работы: таким образом, для круговых циклов первый закон термодинамики записывается следующим образом:

(1.84)

То есть для осуществления любого кругового процесса требуется подвод и отвод тепла, то есть наличие двух источников тепла – горячего (теплоотдатчика) и холодного (теплоприёмника).

Таким образом, термодинамическая система, совершающая круговой процесс, состоит из рабочего тела, объекта работы, теплоотдатчиков и теплоприёмников.

Из рассмотренного выше вытекают очень важные выводы, которые составляют содержание второго закона термодинамики.

При превращение теплоты в работу, в непрерывно действующем двигателе, лишь часть количества подведённой теплоты из теплоотдатчика (q₁) превращается в работу, остальная часть (q₂) обязательно должна быть отдана в виде теплоты теплоприёмнику. Это часть теплоты представляет собой неизбежную потерю.

Двигателем, в котором вся теплота, подведённая от теплоотдатчика, целиком превращалась бы в работу, Кельвин назвал вечным двигателем второго рода.

Второй закон термодинамики устанавливает, что вечный двигатель второго рода невозможен.

В непрерывно действующем двигателе теплота теплоотдатчика не может быть полностью превращена в работу.

Существуют и другие формулировки второго закона термодинамики, такие как: