1.10 Термодинамические циклы

Термодинамическим циклом (или круговым процессом) называют процесс, при котором термодинамическая система, выйдя из первоначального состояния по завершении цикла, вновь возвращается в это же состояние. Различают прямые и обратные циклы.

В прямом цикле теплота передается от тела с более высокого температурного уровня к телу с более низкой температурой, а термодинамическая система, выполняющая роль посредника, превращает часть передаваемой теплоты в работу. Данный цикл осуществляется по ходу движения часовой стрелки. И по нему работают тепловые машины.

Таблица 1.1. Уравнения термодинамических процессов

Процесс	Показатель политропы	Уравнение процесса	Соотношения между параметрами состояния	Изменение внутренней энергии	Изменение энтальпии	Механическая работа	Теплота
Изохорный	∞	v = const		∆u = cv(T2 – T1)	∆h = cp(T2 – T1)	l = 1	q = cv(T2 – T1)
Изобарный	0	p = const		∆u = cp(T2 – T1)	∆h = cp(T2 – T1)	l = p(v2 – v1) = R (T2 –T1)	q = cp(T2 – T1)
Изотермический	1	T = const pv = const	p1v1 = p2v2	0	0		q = l
Адиабатный	к = ср/сv	pvk = const	p1vk1 = p2vk2	∆u = cv(T2 – T1)	∆h = cp(T2 – T1)		q =0
Политропный		pvn = const	p1vn1 = p2vn2	∆u = cv(T2 – T1)	∆h = cp(T2 – T1)

прямой

прямой обратный

В обратном цикле теплота передается от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, но для осуществления этого процесса требуется затрата энергии. Любая холодильная машина реализует обратный термодинамический цикл и подобна насосу, « перекачивает» теплоту Q₂ с более низкого уровня Т₂ на более высокий Т₁, но для этого процесса необходимо совершить работу L. Причем на более высокий температурный уровень будет передано количество теплоты

Такие обратные циклы получили название холодильных. Они осуществляются против хода движения часовой стрелки.

Поскольку в прямом круговом цикле все процессы обратимы (идеальны), то уравнение первого закона термодинамики имеет вид:

(1.33)

Это выражение является тепловым балансом для любого термодинамического цикла.

Основной тепловой характеристикой прямых циклов является термический коэффициент полезного действия (к.п.д.), представляющий собой отношение удельной работы l₀, производимой двигателем за цикл, к удельному количеству теплоты, подведенной за этот цикл от горячего источника:

(1.34)

Этот коэффициент оценивает степень совершенства теплового двигателя. Чем выше h_t, тем большая часть тепла превращается в полезную работу.

Так как работа теплового двигателя невозможна без отвода теплоты q₂ к холодному источнику, то h_t всегда меньше единицы.

Эффективность работы холодильных машин, работающих по обратным циклам, оценивается не термическим к.п.д., а холодильным коэффициентом, который представляет собой отношение количества теплоты q₂, отнятой от холодного источника, к затраченной в цикле работе:

(1.35)

Он показывает какое количество теплоты отнимается от теплоприемника при затрате одной единицы работы. Его величина, как правило, больше единицы.