3. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы). Принцип действия тепловой машины

Обратимыми называются такие термодинамические процессы, которые удовлетворяют следующим условиям.

1. После прохождения этих процессов и возвращения термодинамической системы в исходное состояние в окружающей среде не должно остаться никаких изменений.

2. Процесс может самопроизвольно протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.

Необходимое и достаточное условие обратимости процесса – его равновесность, т.е. обратимый термодинамический процесс представляет собой бесконечную последовательность равновесных состояний.

Примерами обратимых процессов служат все механические процессы, в которых выполняются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса – абсолютно упругий удар, незатухающие механические колебания и т.д.

Необратимыми называются такие процессы, после прохождения которых термодинамическая система не может самопроизвольно вернуться в исходное состояние. Вернуть систему в исходное состояние можно лишь с помощью внешнего вынуждающего процесса, однако при этом в окружающей среде обязательно произойдут те или иные изменения. Каждый необратимый процесс в одном направлении протекает самопроизвольно, а в обратном – лишь с помощью внешнего, компенсирующего процесса.

Примерами необратимых процессов являются такие механические процессы, как неупругие соударения или затухающие механические колебания. Последний процесс всегда самопроизвольно идет в направлении убыли амплитуды и механической энергии системы.

Необратимым является также процесс передачи теплоты от горячего тела к холодному. Результат такого процесса – выравнивание температур различных частей термодинамической системы. После выравнивания температур система не может самопроизвольно вернуться в исходное состояние, в котором температуры отдельных ее частей различны.

Рис. 9.6

Циклическим процессом (или циклом) называется такой термодинамический процесс, в котором система возвращается в исходное состояние, проходя через разные промежуточные состояния в прямом и обратном процессах. В координатах P, V цикл изображается замкнутой кривой (рис. 9.6).

Поскольку внутренняя энергия термодинамической системы однозначная функция ее состояния, то в циклическом процессе ее значения в начальном и конечном состояниях совпадают, поэтому U=0. Тогда согласно первому началу термодинамики для циклического процесса можно записать

,

где и  – суммарные значения переданной теплоты и совершенной работы на различных стадиях циклического процесса.

Тепловыми машинами называются устройства, с помощью которых тепловая энергия может превращаться в механическую работу. Любая тепловая машина в процессе своей работы должна периодически возвращаться в исходное состояние, т.е. в ней должны происходить циклические процессы.

Основные части тепловой машины любого типа – рабочее тело, холодильник и нагреватель (рис. 9.7).

а

б

Рис. 9.7

Рабочим телом называется термодинамическая система, совершающая процессы, в результате которых тепловая энергия превращается в механическую работу.

Нагревателем называется термодинамическая система, сообщающая рабочему телу тепловую энергию.

Холодильником называется термодинамическая система, получающая от рабочего тела часть тепловой энергии.

В прямом цикле рабочее тело совершает положительную механическую работу и переносит теплоту от нагревателя к холодильнику (рис. 9.7, а). На P-V – диаграмме прямой цикл соответствует движению по часовой стреле.

В обратном цикле рабочее тело совершает отрицательную работу и переносит теплоту от холодильника к нагревателю (рис. 9.7, б).

Термический КПД тепловой машины

,

(9.24)

где A – механическая работа, выполненная за один цикл; Q₁ – теплота, полученная рабочим телом от нагревателя; Q₂ – теплота, отданная холодильнику.