1.3.2 Кругові термодинамічні процеси

Розглянемо роботу теплового поршневого двигуна. У циліндрі з рухливим поршнем знаходиться робоче тіло – газ. Від джерела тепла, що має температуру Т1 вище температури навколишнього середовища (це джерело називають верхнім, гарячим джерелом або нагрівачем), до робочого тіла підводиться тепло, при цьому робоче тіло розширюється і переборює силу, прикладену до поршня; отже, робоче тіло робить роботу для надання руху механізмам, машинам чи електричному генератору, які з'єднані з поршнем. Розглянемо цей процес на Pv-діаграмі (рис. 1.14).

Зобразимо процес розширення газу у вигляді кривої 1–3–2, тоді площа багатокутника 1–3–2–5–4 буде дорівнювати роботі розширення l₁.

З переходом поршня у крайнє положення розширення закінчується. Щоб двигун продовжив роботу, необхідно, щоб поршень повернувся в початкове положення, а газ – у початковий стан. Для цього при зворотному ході поршня газ у циліндрі потрібно стиснути, тобто над ним потрібно зробити роботу l2. Для цього крім джерела тепла T1 потрібно мати ще одне джерело тепла T2, якому робоче тіло могло б віддавати тепло. Це друге джерело тепла називають нижчим або холодним джерелом, а також холодильником. Таким чином, після повернення поршня в початкове положення, а газу в початковий стан, відбувається круговий процес роботи двигуна; інакше його називають циклом.

4 5

Рисунок 1.14 – Кругові термодинамічні процеси

Круговий процес може повторюватися і продовжуватися настільки довго, наскільки потрібно. Такий двигун, що працює за описаними круговими процесами – періодами, називається періодично діючим.

Характерним у роботі такого двигуна виявляється те, що на деякій частині змін стану робочого тіла (циклу) до нього від гарячого джерела підводиться деяка кількість теплоти q1, а на іншій частині деяка кількість теплоти q₂ відводиться до холодного джерела.

Слід зазначити, що загальна робота циклу, яку називають корисною, буде дорівнювати різниці робіт l₁ та l₂ (l=l₁ – l₂), а загальна кількість теплоти циклу, яку називають корисною теплотою, – різниці теплоти q1 та q₂ (q=q₁ – q₂).

Повернення робочого тіла у початковий стан можливо трьома шляхами:

1. процес стиску відбувається за лінією 2–3–1. У цьому випадку робота стиску дорівнює роботі розширення (l2=l1), тобто ми не одержуємо корисної роботи, загальна робота циклу дорівнює нулю;

2. процес стиску відбувається вище лінії 1–3–2 через точку 6. У цьому випадку робота стиску, яка дорівнює площі 1–6–2–5–4, буде більше роботи розширення (l₂ > l₁). Для виконання такого циклу ми маємо затратити додаткову енергію, тобто загальна робота циклу буде негативною. Цикли, у яких робота стиску більше роботи розширення, називають зворотними циклами; за такою схемою працюють холодильні установки;

3. процес стиску відбувається нижче лінії 1–3–2, через точку 7. У цьому випадку робота стиску, яка дорівнює площі 1–7–2–5–4, буде менше роботи розширення (l₂ < l₁). При виконанні такого циклу ми отримуємо позитивну роботу. Цикли, у яких робота розширення більше роботи стиску, називають прямими циклами; за такою схемою працюють теплові двигуни (ДВЗ, ГТУ та ін.).

Розглянемо більш докладно прямий цикл. Згідно з першим законом термодинаміки (1.51) q=l+u. Так як робоче тіло повертається в початковий стан, зміна внутрішньої енергії дорівнює нулю. Звідси для термодинамічного циклу q=l. Таким чином, можна записати

l = l₁ – l₂ = q =q₁ – q_2. (1.93)

Тобто частина підведеної теплоти (q1 – q2) перетворюється на корисну роботу. Чим більше ця робота, тим більш ефективним і економічним є тепловий двигун. Критерієм оцінки економічності циклу перетворення теплової енергії на механічну є відношення, яке називають термічним коефіцієнтом корисної дії (ККД) і позначають _t

η_t  _qq₁  q¹_q^₁^q2  _q^l₁ (1.94)

Термічний ККД показує відношення роботи, яку виконує двигун за цикл, до кількості теплоти, підведеної за цей цикл від гарячого джерела. Він характеризує ступінь досконалості циклу теплового двигуна. Чим більше ККД, тим більша частина підведеної теплоти перетворюється на роботу.

Термічний ККД прямого оборотного циклу завжди менше одиниці. Це говорить про те, що не всю теплоту можна перетворити на роботу без відводу частини теплоти в навколишнє середовище.