Прямой термодинамический цикл

Термодинамическим циклом или круговым процессом называется термодинамический процесс, в котором термодинамическая система, претерпев ряд изменений, возвращается в исходное состояние. Замкнутые термодинамические процессы имеют очень большое практическое значение, так как они позволяют:

- непрерывно использовать теплоту для совершения работы,

- передавать теплоту с низшего температурного уровня на высший.

Все параметры и функции состояния, изменяясь в процессе, в конце цикла принимают свое первоначальное значение. И как было установлено ранее, в результате осуществления замкнутого термодинамического процесса внутренняя энергия системы не изменяется , а работа, совершаемая термодинамической системой за цикл, равна суммарному количеству теплоты, полученному и отданному системой в течение цикла: l_ц = q_ц.

Различают прямой и обратный термодинамические циклы.

Прямой цикл реализуется в тепловых двигателях. Тепловым двигателем называется непрерывно действующая система, осуществляющая круговые процессы, в которых теплота превращается в механическую работу. Очевидно, в прямом цикле система должна производить положительную работу. Рассмотрим, как строится цикл теплового двигателя.

На рис. 3.1, а изображен прямой термодинамический цикл в координатах рu, в котором показана последовательность двух процессов: ADB – процесс расширения; BCA - процесс сжатия. Из рu диаграммы видно, что на участке цикла ADB объем системы увеличивается, следовательно, работа L₁ положительна и численно равна площади eADBf. На участке BCA работа L₂ отрицательна, так как за счет энергии окружающей среды система возвращается в исходное состояние А. Работа L₂ равна площади eACBf. Так как площадь под линией ADB больше, чем площадь под линией BCA, то, следовательно, суммарная работа за цикл в рассмотренном примере положительна. Она равна площади замкнутой линии ADBCA.

Таким образом, при создании прямого цикла необходимо, чтобы линия процесса расширения проходила выше линии процесса сжатия, то есть, чтобы работа сжатия по абсолютной величине была меньше работы расширения:

l_ц = l₁ – |l₂| = пл. eADBf – пл. eACBf = пл. ADBCA > 0.

В соответствии с первым законом термодинамики суммарное количество теплоты в прямом цикле также должно быть положительным q_ц > 0. Поэтому на sT – диаграмме (рис. 3.1, б) прямой цикл должен быть представлен

Рис. 3.1. Прямой термодинамический цикл

таким образом, чтобы подведенное к системе количество теплоты по абсолютной величине было больше, чем отведенное. Для этого линия процесса CAD, в котором теплота подводится (ds > 0), должна располагаться выше, чем линия процесса DBC, в котором теплота отводится (ds < 0).

Обозначая подведенное количество теплоты через q₁ = пл. mCADn, а отведенное количество теплоты через q₂ = пл. mCBDn, можно записать:

q_ц = q₁ – |q₂| = пл. mCADn – пл. mCBDn = пл. CADBC > 0.

Так как за время цикла термодинамическая система получает из окружающей среды теплоту, эквивалентную работе, совершенной системой за цикл, то можно сказать, что в рассмотренном цикле израсходовано определенное количество теплоты для получения механической работы. Именно в этом смысле говорят, что в прямом цикле произошло превращение теплоты в работу.

Эффективность превращения теплоты в работу в прямом цикле характеризуется термическим КПД цикла h_t, который представляет собой отношение работы l_ц, совершенной системой за цикл, к подведенному к системе количеству теплоты q₁:

.

Термический КПД всегда меньше единицы, так как осуществление цикла неизбежно связано с отводом определенного количества теплоты q₂ от системы. Термический КПД цикла характеризует степень совершенства того или иного цикла: чем больше h_t, тем совершеннее цикл; при подводе к рабочему телу одного и того же количества теплоты q₁ в цикле, у которого h_t больше, производится большая работа l_ц.