Круговые процессы (циклы)

Круговым процессом или циклом называется непрерывная последовательность процессов, характеризующаяся возвратом рабочего тела в исходное состояние. В термодинамических циклах исключены необратимые потери рабочего процесса [1].

Первое начало термодинамики для циклов записывается следующим образом:

. (27)

Так как изменение любой функции состояния в круговом процессе равно нулю

, (28)

первое начало термодинамики для циклов принимает следующий вид:

(29)

или

, (30)

где и – количество теплоты, подведенной и отведенной от рабочего тела в цикле, – работа цикла (сумма работ во всех процессах цикла).

Если , то рассматриваемый цикл является циклом теплового двигателя, в противном случае – циклом холодильной машины.

Термодинамические циклы тепловых двигателей принято изображать в и координатах (рис. 2).

Рис. 2. Термодинамический цикл теплового двигателя

Площадь замкнутого контура, образованного циклом в этих координатах, характеризует работу цикла .

Эффективность термодинамических циклов тепловых двигателей оценивается термическим коэффициентом полезного действия

. (31)

Наибольший КПД среди термодинамических циклов при одинаковых граничных температурах рабочего тела имеет цикл Карно (рис. 2). КПД цикла Карно определяется из следующего соотношения:

, (32)

где и – температура рабочего тела в процессах подвода и отвода теплоты, К.

Второе начало термодинамики

Математическое выражение второго начала термостатики

(33)

свидетельствует о том, что координаты ( ) являются универсальными координатами термодинамического теплообмена любых равновесных термодинамических систем, а коэффициент полезного действия термодинамических циклов тепловых двигателей зависит лишь от соотношения средних абсолютных температур рабочего тела в процессах подвода ( ) и отвода ( ) теплоты.

Термодинамическое совершенство цикла определяется при сопоставлении его термического КПД с КПД цикла Карно, осуществляемого при тех же граничных температурах. Чем больше коэффициент заполнения цикла ( ), тем совершеннее цикл.

Второе начало термодинамики определяет принцип возрастания энтропии изолированных систем и необратимости внутреннего теплообмена.

Математическое выражение второго начала термодинамики имеет следующий вид:

, (34)

а для изолированной системы может быть представлено следующим образом:

. (35)

Из второго начала термодинамики следует, что теплота не может быть полностью превращена в работу. Отсюда коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда меньше 1, а коэффициент полезного действия реального теплового двигателя, осуществляющего рабочие процессы при температурах внешних источников и , всегда меньше КПД обратимой тепловой машины, осуществляющей процессы превращения теплоты в работу между внешними источниками, имеющими те же температуры.