Круговые процессы (циклы). Общие сведения

Круговым процессом называется процесс, в котором рабочее тело, пройдя ряд равновесных состояний, возвращается в первоначальное состояние. Часто встречается ещё одно название таких процессов – циклы.

При изучении термодинамических процессов с идеальным газом отмечалось, что получение работы возможно или вследствие подведённой теплоты, или за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела. Причём, однократное расширение газа даёт ограниченное количество работы, так как наступает момент, когда температура и давление рабочего тела станут равными соответствующим параметрам окружающей среды и процесс расширения рабочего тела закончится.

Для продолжения процесса расширения необходимо или увеличить размеры цилиндра, в котором находится газ, или вернуть рабочее тело в первоначальное состояние, а затем вновь провести процесс расширения. Воспользуемся вторым методом. Пусть в цилиндре находится 1 кг идеального газа. Его начальное состояние на диаграмме P-V обозначаем т.1 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Круговые процессы

Конец процесса расширения обозначим т.2. отсюда в результате процесса расширения 1-2 будет произведена работа, изображаемая на диаграмме P-V (рисунок 1) площадью 1-2-V₂-V₁-1. При достижении т.2 рабочее тело должно быть возвращено в т.1. Процесс возвращения рабочего тела в состояние 1 может быть осуществлён тремя путями:

1. Кривая сжатия 2-1 совпадает с кривой расширения 1-2. в этом случае вся полученная при расширении работа (площадь 1-2-V₂-V₁-1) будет равна работе сжатия (площадь 2-1-V₁-V₂-2). Разность между работой расширения и работой сжатия (без учёта её знака) называется полезной работой цикла и обозначается l₀. Следовательно, в этом цикле l_расш.=│l_сжат.│и l₀=0.

2. Кривая сжатия располагается над кривой расширения (процесс 2-m-1). При этом работа сжатия l_сжат.= площади 2-m-1-V₁-V₂-2, а работа расширения l_расш.= площади 1-2-V₂-V₁-1. Из этого, следует, что полезная работа l₀= l_расш. – │l_сжат.│ меньше нуля. Такие циклы, в которых l₀<0, являются обратными циклами или, как ещё их часто называют, циклами холодильных установок.

3. Кривая сжатия располагается ниже линии расширения (процесс 2-n-1). В этом круговом процессе работа расширения l_расш.= площади 1-2-V₂-V₁-1 будет больше работы сжатия, где l_сжат.= площади 2-n-1-V₁-V₂-2. В результате полезная работа l₀>0. Такие циклы, в результате осуществления которых получается положительная полезная работа, называются прямыми циклами или циклами тепловых двигателей. Повторяя цикл неограниченное число раз, за счёт подводимой теплоты можно получать любое количество работы.

Циклы бывают обратимые и необратимые. Если цикл состоит из равновесных обратимых процессов, то он называется обратимым. Рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химическим изменениям.

Если даже один процесс, входящий в цикл, является необратимым, то и весь цикл будет необратимым.

Результаты исследований идеальных циклов могут быть перенесены на действительные, необратимые процессы реальных машин путём введения опытных поправочных коэффициентов.