Глава XXII

ОБРАТНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ j ТЕПЛОВЫХ МАШИН

§ 129. Понятие об обратных термодинамических циклах.1

Обратный цикл Карно ,

Обратными называются термодинамические циклы, в которых подвод теплоты -к термодинамической системе происходит при более низкой температуре" рабочего тела, чем отвод теплоты (рис. 146, а, б, в). .

Следовательно, для осуществления обратного цикла необходимо иметь в окружающей среде по крайней мере два тела с различными тем­пературами: тело с низкой температурой служит источником теплоты для термодинамической системы, а тело с высокой температурой вос­принимает теплоту от рабочего тела и служит, таким образом, прием­ником теплоты. Процессу подвода теплоты к рабочему телу на sT-диа­грамме соответствует линия процесса А-В-С, в ходе которого энтропия рабочего тела возрастает на Д5лс. Температура источника теплоты, вообще говоря, может изменяться в ходе этого процесса, оставаясь, однако, все время выше температуры рабочего тела на бесконечно ма­лую величину (чтобы процесс А-В-С был равновесным).

Линия C-D-A изображает процесс отвода теплоты от рабочего те­ла к приемнику теплоты в окружающей среде, температура которого должна быть в течение всего этого процесса ниже температуры рабочего тела также на бесконечно малое значение.

Количество'те плоты, полученной рабочим телом от источника, эк­вивалентно пл. А'АВСС' на sT-диаграмме, а количество теплоты, от­данной рабочим телом приемнику, — пл. A'ADCC'. Поскольку абсо­лютные изменения энтропии в процессах отвода и подвода теплоты , должны быть одинаковыми, а отвод происходит при более высокой температуре, то количество отведенной от рабочего тела теплоты ока­зывается в обратном цикле больше количества подведенной теплоты.

Если абсолютное значение отведенной теплоты Q", абсолютное зна­чение подведенной теплоты Q' и суммарное (итоговое) количество теп­лоты за весь цикл Q_u, то Q' < Q" и = Q' — Q" < 0.

Таким образом, термодинамическая система, совершающая обрат­ный цикл, отдает в окружающую среду энергию вформе теп­лоты.

Согласно первому закону термодинамики, записанному для кру гового процесса, AU_U = Q_u — L₄ = 0' , откуда һ_ц = Q_n и L_n < 0-

Это значит, что термодинамическая система, совершающая обраг ный цикл A-B-C-D-A, потребляет из окружающей.среды энер­гию в форме работы. Вследствие этого в обратных циклах процессы расширения рабочего тела должны происходить при более низком давлении, чем процессы сжатия (рис. 146, б). Так как \L_cm\ > L _асШ, то недостаток работы в количестве, равном |Х_Ц|, должен быть воспол­нен от внешнего «источника» работы.

Важнейшими особенностями обратных циклов являются отнятие g помощью термодинамической системы теплоты в количестве Q' от менее нагретого тела в окружающей среде и передача теплЗты в коли­честве Q" более нагретому телу. При этом более нагретое тело-получа- ет теплоты больше, чем отдает менее нагретое, на суммарную работу цикла Q" = Q' + |Z.„|.

В соответствии со'вторым законом термодинамики такой процесс, невозможный при непосредственном тепловом контакте тел в различ­ными температурами, становится возможным лишь за счет затраты, механической или немеханической работы*либо перехода необходи­мого количества теплоты с высокого температурного уровня на более низкий," как, например, при работе абсорбционных машин.

, Указанная особенность обратных -циклов используется по-разному в зависимости от назначения тепловых машин, работающих по таким циклам.

Как и в случае прямых циклов, наиболее совершенным обратным циклом является цикл Карно, т. е. цикл, состоящий из двух равио- • весных изотермных и двух равновесных адиабатных процессов (рис. 146, в). В обратном цикле Карно рабочее тело термодинамической системы в процессе 1-2 получает теплоту в количестве Q' от источник? • теплоты, ^имеющего температуру Т'. Количество полученной теплоты эквивалентно пл. Г122'. Затем в результате адиабатного сжатия е процессе 2-3 температура- тела повышается до температуры, на беско­нечно малое значение, превышающее температуру Т" приемника теп­лоты в окружающей среде. Это дает возможность произвести отвод теплоты от рабочего тела к приемнику теплоты в равновесном изотерм ном процессе 3-4. Количество" те плоты Q", передаваемое при эУом ок­ружающей среде, эквивалентно пл. Г432'. В последующем процессе равновесного адиабатного расширения рабочего тела 4-1 -его темпера­тура вновь понижается до температуры низшего источника теплоты Т", после чего цикл повторяется. В процессах 4-1 и 1-2 рабочее тело совершает'некоторую работу, а в процессах 2-3 й 3-4 требуется подвод работы для сжатия рабочего тела. Итоговое количество энергии, под

¹ * . аза

«одимой в цикле в форме работы, эквивалентное пл. 1234, передается' приемнику теплоты в форме теплоты вместе с энергией, полученной в _і форме теплоты от источника теплоты |Ь_Ц| = |Q₄|.