Краткие теоретические сведения Понятие о круговом процессе

Изменение состояния рабочего тела на p-w-диаграмме изображается кривой термодинамического процесса. Последовательность определенных термодинамических процессов, в которой рабочее тело, претерпев ряд изменений, возвращается в первоначальное состояние, называется круговым процессом, или циклом.

Осуществление таких процессов необходимо для функционирования любых тепловых двигателей, в которых теплота с помощью рабочего тела превращается в работу.

В основу расчета тепловых двигателей положены идеальные круговые процессы, или идеальные циклы. Их изучение позволяет оценить степень совершенства действительных тепловых процессов, происходящих при работе реальных двигателей. В идеальных циклах протекают обратимые процессы, так как в них пренебрегают потерями на трение и отсутствием идеальных теплоизоляторов.

Процесс подвода теплоты в идеальных циклах рассматривается без изменения химического состава рабочего тела. В реальных циклах подвод теплоты происходит в процессе сжигания топлива. Рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания являются продукты, образующиеся при горении, в паровых машинах в качестве рабочего тела используется пар высокого давления.

Для отвода воды в идеальных циклах требуется наличие холодильника. В реальных циклах этот процесс осуществляется выпуском отработавшего рабочего тела в атмосферу. Процессы расширения и сжатия в реальных циклах сопровождаются теплообменом и не могут точно соответствовать адиабатным.

На основании первого закона термодинамики для цикла в целом имеем

, (1.1)

где q_ц – теплота, израсходованная в цикле; А_ц – произведенная полезная работа.

Таким образом, работа А_ц, произведенная за цикл, равна разности подведенной к рабочему телу и отведенной от него теплоты.

Рис.1 Круговой процесс, или цикл, на p-w диаграмме а- прямой; б- обратный

Рассмотренный круговой процесс (цикл), направленный по часовой стрелке, называется прямым. По прямым циклам работают все тепловые двигатели.

Для непрерывной работы двигателя, превращающего теплоту в механическую работу, необходимо иметь источник теплоты с высокой температурой Т₁ и сток теплоты (холодильник) с низкой температурой Т₂. При этом всегда желательно, чтобы в работу превратилась как можно большая доля подведенной теплоты.

Важнейшей тепловой характеристикой цикла является термический коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение количества теплоты, превращенной в полезную работу, к количеству подведенной теплоты: (1.2)

Из формулы (1.2) следует, что термический КПД всегда меньше единицы, так как q₂ > 0. Для увеличения КПД следует стремиться уменьшать q₂ и увеличивать q₁.

Если цикл будет осуществляться в обратном направлении, т.е. против часовой стрелки, то линия сжатия будет расположена выше линии расширения. Такие циклы называют обратными. В этом случае положительная работа, эквивалентная площади 1 – а – 2 – 3 – 4 -1, меньше отрицательной работы, которой соответствует площадь 2 – б – 1 – 4 – 3 – 2, т.е. в обратном цикле полезная работа не производится, а, наоборот, для его осуществления должна быть затрачена работа –А_ц от внешнего источника энергии. Направление тепловых потоков в этих циклах меняется на противоположное, т.е. теплота q₂ передается рабочему телу от холодного источника, а теплоту q₁ рабочее тело отдаст горячему источнику. Следовательно, в обратном цикле передача теплоты происходит от холодного тела к горячему; при этом затрачивается работа, которая также превращается в теплоту. Таким образом: , (1.3)

Обратные циклы осуществляются в холодильных установках и тепловых насосах. Эффективность их работы оценивается холодильным коэффициентом , (1.4)

т.е. отношением количества теплоты, переданного от холодильного тела, к количеству теплоты, эквивалентному затраченной работе А_ц.