5. Изобразите на t,s диаграмме произвольный прямой и обратный циклы. Охарактеризуйте условия их осуществления.

На рис.1.2а изображен прямой произвольный цикл, состоящий из двух произвольных процессов подвода теплоты (1-с-2) и отвода (2-d-1). Такая последовательность процессов возможна в том случае, когда подводимая к рабочему телу теплота, эквивалентная площади а-1-с-2-b-а, больше отводимой теплоты, эквивалентной площади b-2-d-1-a-b. Такой цикл применяется для преобразования теплоты в работу в тепловых двигателях.

1.2. Прямой (а) и обратный (б) цикл в тепловой диаграмме T,s.

На рис.1.2б изображен обратный произвольный цикл, состоящий из двух произвольных процессов отвода теплоты (2-d-1) и подвода теплоты (1-c-2) к рабочему телу. Такая последовательность процессов возможна в том случае, когда теплота, отводимая от рабочего тела, эквивалентная площади b-2-d-1-a-b, больше подводимой теплоты, эквивалентной площади a-1-c-2-b-a. Такой цикл применяется в холодильных установках для отвода теплоты от охлаждаемых объектов (холодных) в окружающую среду (теплую).

6. Чем характеризуется степень эффективности прямого (теплоэнергетического) термодинамического цикла, используемого для преобразования теплоты в работу?

Эффективность теплоэнергетического цикла, используемого для преобразования теплоты в работу, характеризуется термодинамическим (термическим) коэффициентом полезного действия (КПД) . Термический КПД — это отношение результирующей работы, получаемой в прямом цикле, к теплоте, подводимой к рабочему телу в этом цикле

,

где Т_1ср и Т_2ср – средние температуры процессов подвода и отвода теплоты в цикле. Термический КПД увеличивается при уменьшении вычитаемых дробей в этих соотношениях, то есть при уменьшении числителей (q₂ и T_2ср) и/или увеличении знаменателей (q₁ и T_1ср). Однако всегда меньше единицы, так как в соответствии со вторым законом термодинамики все тепловые машины преобразуют в механическую работу l лишь часть теплоты q₁, подводимой к рабочему телу.

7. Чем характеризуется степень эффективности обратного термодинамического цикла, используемого для переноса теплоты от холодного к более нагретому телу (в окружающую среду)?

Степень совершенства обратного термодинамического цикла характеризуется холодильным коэффициентом. Это отношение теплоты, отводимой от охлаждаемого объекта, к работе, затрачиваемой в цикле.

,

где Т_0ср и Т_2ср – средние температуры процесса переноса теплоты от охлаждаемого объекта к хладагенту и процесса переноса теплоты от хладагента к горячему источнику (окружающей среде).

В отличие от термического КПД холодильный коэффициент чаще бывает больше единицы, поскольку он показывает количество теплоты в кДж, отводимое от охлаждаемого объекта, при затрате одного кДж работы

8. Изобразите в p,V и t,s координатах энергетический цикл Карно? Назовите процессы, образующие его.

Этот цикл предложил основоположник второго закона термодинамики французский ученый Сади Карно в 1824 году. Цикл сыграл большую роль в развитии термодинамики и теплотехники, так как он является идеальным (образцовым) циклом тепловых и холодильных машин.

Рис. 4.4. Прямой (энергетический) цикл Карно на рабочей (а) и тепловой (б) диаграммах.

На рис. 4.4 изображен прямой цикл Карно, рабочим телом которого является идеальный газ. Цикл состоит из следующих последовательно повторяющихся термодинамических процессов:

1–2 — изотермический подвод теплоты: q₁ = l₁₂ > 0,

2–3 — адиабатное расширение (l₂₃ = u₂ – u₃ > 0),

3–4 — изотермический отвод теплоты: q₂ = l₃₄ < 0,

4–1 — адиабатное сжатие (l₄₁ = u₄ – u₁ < 0).

В изотермическом процессе 1–2 вся подводимая к рабочему телу теплота превращается в работу расширения, а в изоэнтропному процессе расширения 2–3 работа расширения совершается за счет уменьшения внутренней энергии рабочего тела. Изотермический отвод теплоты 3–4 сопровождается сжатием рабочего тела, а в результате следующего изоэнтропного сжатия 4–1 рабочее тело возвращается в исходное первоначальное состояние. Результирующая работа цикла изображается площадью 1–2–3–4, ограничиваемой двумя изотермами и двумя адиабатами.

Заметим, что цикл Карно иллюстрирует тот случай, когда выгодно использовать не изотермическое, а адиабатное сжатие рабочего тела в компрессоре, необходимое для повышения температуры рабочего тела от температуры холодного источника Т₂ до температуры горячего Т₁.