20. Термодинамический цикл. Термический кпд цикла.

Термодинамические циклы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия), совпадают.

Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу.

Компонентами любой тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).

Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно. Существуют также другие циклы (например, цикл Стирлинга и цикл Эрикссона), в которых обратимость достигается путём введения дополнительного теплового резервуара — регенератора. Общим (т.е. указанные циклы частный случай) для всех этих циклов с регенерацией является Цикл Рейтлингера. Можно показать (см. статью Цикл Карно), что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью.

Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона (Второе начало термодинамики). Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы.

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты ( ) у нагревателя и отдаёт количество теплоты   холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом,

,

так как изменение внутренней энергии   в круговом процессе равно нулю (это функция состояния).

Напомним, что работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.

При этом нагреватель потратил энергию  . Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен

.

Термический кпд тепловых машин

Термический КПД тепловых машин рассмотрим на примере работы двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме, термодинамический цикл которого состоит из следующих процессов (рис. 2): 1-2 - изохорический подвод теплоты при сгорании топлива в цилиндре двигателя; 2-3 - адиабатическое расширение рабочего тела; 3-4 - изохорический отвод теплоты при выбросе отработанного газа в атмосферу; 4-1 - адиабатическое сжатие рабочего

тела [2]. Обратим внимание на принципиальное отличие процесса от цикла Карно - отсутствие охладителя, и рабочая смесь приводится в первоначальное состояние загрузкой новой его порции. Руководствуясь формулой (1), записывается значение термического КПД:

 

　

 

 

рис. 2. Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания

21. Сравнение термического кпд произвольного цикла и термического кпд цикла Карно. Регенеративный цикл Карно.

Коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.