Характеристика прямых и обратных циклов

Термодинамические циклы.

Ряд последовательных термодинамических процессов, представляющих собой один замкнутый, называется круговым термодинамическим процессом или циклом. В рассмотренных ранее политропных процессах изучались вопросы получения работы вследствие подведенной теплоты, изменения внутренней энергии рабочего тела или вследствие того и другого. При однократном расширении газа в цилиндре можно получить лишь ограниченное количество работы, так как при любом процессе расширения все же наступит момент, когда температура и давление рабочего тела станут равными температуре и давлению окружающей среды и на этом прекратится получение работы. Для повторного получения работы необходимо осуществить процесс сжатия и возвратить рабочее тело в первоначальное состояние. Таким образом, для непрерывного производства работы рабочее тело должно участвовать в круговом термодинамическом процессе (рис. 2).

Рис. 2.

Циклы могут быть обратимыми, состоящими из обратимых процессов, и необратимыми. В основе анализа эффективности современных тепловых машин лежат обратимые циклы, т. е. идеальные циклы, не учитывающие потери на трение и т. д. Циклы подразделяются на прямые и обратные. Прямыми называются циклы, в которых теплота преобразуется в работу, обратными — в которых теплота передается от более холодного тела к более нагретому. При изображении циклов на термодинамических диаграммах последовательный обход процессов в прямом цикле происходит по часовой стрелке (см. рис. 2), в обратном цикле — против часовой стрелки.

Для всех циклов очевидным является условие:

.

так как цикл начинается и заканчивается в одной точке.

Тогда первый закон термодинамики для цикла запишется следующим образом:

.

где Q_ц — теплота, участвующая в цикле, равная алгебраической сумме количеств теплоты для каждого процесса; L_ц — работа цикла (цикловая работа), равная соответственно алгебраической сумме работ в каждом процессе. Прямой цикл. Прямой цикл — это цикл двигателя. В этом цикле происходит преобразование теплоты в механическую работу (рис. 3).

Рис. 3.

В процессе 1а2 к рабочему телу от горячего источника температурой Т₁ подводится теплота Q₁ и совершается положительная работа. В процессе 2b1 от рабочего тела к холодному источнику температурой Т₂ отводится количество теплоты Q₂ и совершается отрицательная работа. Количество работы в процессе расширения L_1a2, больше, чем работа сжатия L_2b1, и цикловая работа будет положительна и равна:

На рисунке работа цикла изображается площадью фигуры пл.1-а-2-b-1. В соответствии с первым законом термодинамики для цикла:

.

Для оценки эффективности преобразования теплоты в работу в прямом цикле используют термический коэффициент полезного действия (КПД), под которым понимают отношение работы, полученной в цикле, к затраченной теплоте:

Таким образом, термический КПД показывает какая часть теплоты, подведенной к циклу от нагревателя, превращена в полезную работу. Согласно второму закону термодинамики эта величина всегда меньше единицы (<100%).

Обратный цикл. Обратный цикл служат для производства холода или теплоты. В нем рабочее тело переносит теплоту от холодного источника к горячему. Для совершения такого несамопроизвольного процесса затрачивается работа цикла. Обратные циклы реализуются в холодильных машинах и тепловых насосах (рис. 4).

В процессе расширения 1а2 температура рабочего тела ниже Т₂, в результате чего от холодного источника к рабочему телу передаётся количество теплоты Q₂. В процессе сжатия 2в1 температура рабочего тела выше Т₁ и горячему источнику от рабочего тела передаётся количество теплоты Q₁. Так как на процесс сжатия работы затрачивается больше и она отрицательна, работа цикла будет равна:

Первый закон термодинамики имеет вид:

.

Для оценки работы холодильных машин применяется так называемый холодильный коэффициент, определяемый отношением полезной теплоты Q₂, отнятой от холодного источника ограниченной емкости, к затраченной работе:

.

В холодильной машине теплота Q₁ выбрасывается в окружающую среду — источник неограниченной емкости. Машины, основным продуктом производства которых является теплота Q₁, передаваемая в источник ограниченной емкости, называются тепловыми насосами. Эффективность работы в этом случае оценивается отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение теплоты Q₁, переданной потребителю, к затраченной работе:

В цикле теплового насоса теплота Q₂ отбирается от источника неограниченной емкости (например, атмосфера). Значения холодильного и отопительного коэффициентов могут изменяться в широких пределах 0? е, ц < ?.