1. Теоретические основы круговых процессов (циклы)

Тепловые машины

Тепловыми машинами в термодинамике называются тепловые двигатели и холодильные машины. Все тепловые машины работают циклически.

Круговыми процессами или циклами тепловых машин называются замкнутые процессы, характеризующиеся возвратом системы (рабочих тел) в исходное состояние.

Различают прямые (циклы тепловых двигателей) и обратные (циклы холодильных машин) круговые процессы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Прямой (а) и обратный (б) циклы тепловых машин

Поскольку в результате кругового процесса система (рабочее тело) возвращается в исходное состояние, т.е. возвращаются в исходное состояние все параметры состояния, интегральное изменение любой функции состояния системы будет равно нулю

(1.1)

где z = p; V(v); Т; U(и); H(h) и т.п.

Круговые процессы, в результате реализации которых получена полезная работа, осуществляются в тепловых двигателях. называются прямыми циклами и в координатах p-V, T-s, h-s направлены по часовой стрелке (рис. 1.1а)

Круговые процессы, в результате которых происходит охлаждение рабочих тел до температуры ниже температуры окружающей среды, осуществляются в холодильных машинах, называются обратными и направлены против часовой стрелки (рис. 1.1б).

Выражение первого начала термодинамики для кругового процесса записывается в следующем виде:

 (1.2)

В связи с тем, что для цикла = 0, получаем следующее выражение первого начала термодинамики для цикла

 (1.3)

Циклы тепловых машин состоят из отдельных конечных процессов: нагрева, расширения, отвода теплоты и сжатия рабочего тела. Если на графике цикла добавить две касательные адиабаты 1-2 и 3-4, то можно получить границы процессов подвода и отвода теплоты (рис. 10). Подвод теплоты происходит в процессе C-A-D в прямом цикле и в процессе D-B-C в обратном цикле. Процессы, сопровождающиеся отводом теплоты – это процесс D-B-C в прямом цикле и процесс C-A-D в обратном цикле.

Интегральное значение количества теплоты, получаемоерабочим телом в цикле ( , и работа цикла ( ) могут быть представлены в виде следующих соотношений:

 ; (1.4)

    (1.5)

С учетом соотношений (1.4), (1.5) выражение первого начала термодинамики для цикла записывается в следующем виде:

   (1.6)

В циклах тепловых двигателей работа положительна ( _), а в циклах холодильных машин - работа цикла отрицательна (L_ц < 0); при этом для них справедливо условие    L_ц < 0

Различают три вида циклов тепловых машин: обратимые, термодинамические и реальные.

В обратимых циклах тепловых машин отсутствует внешняя и внутренняя необратимости.

В термодинамических циклах тепловых машин, в отличие от обратимых циклов, рассматривается не вся система, включающая внешние источники теплоты, а только рабочее тело. При этом в процессах термодинамических циклов отсутствует внутренняя необратимость, то есть все процессы таких циклов являются обратимыми.

В реальных циклах тепловых машин имеют место внешняя и внутренняя необратимости.

Внешняя необратимость определяется конечной разностью температур между рабочим телом и источниками теплоты. Этим объясняется то, что реальный цикл теплового двигателя располагается внутри границ температур внешних источников, а реальный цикл холодильной машины - вне границ температур внешних источников (рис. 1.2).

Внутренняя необратимость обусловлена потерями энергии, связанными с трением, завихрениями и т.д. в процессах цикла.

Рис. 1.2. Термодинамические схемы теплового двигателя (а) и холодильной машины (б): — – обратимый цикл, – реальный цикл

Эффективность любого цикла теплового двигателя определяется коэффициентом полезного действия (КПД).

Термический коэффициент действия обратимого цикла теплового двигателя численно равен отношению полученной работы к подведенному извне количеству теплоты и определяется следующим образом:

= . (1.7)

Коэффициент полезного действия реальных циклов тепловых двигателей определяется с учетом внешней и внутренней необратимостью.

Эффективность циклов холодильных машин оценивается холодильным коэффициентом ( ). Холодильный коэффициент численно равен отношению количества теплоты, отводимой от холодного источника, к затраченной работе.

Для реального цикла холодильной машины холодильный коэффициент определяется соотношением

, (1.8)

для обратимого цикла холодильной машины – из зависимости

, (1.9)

а для термодинамического цикла холодильной машины – по соотношению

. (1.12)

Особое значение в термодинамике играет цикл Карно, являющийся основой теории тепловых машин и Второго начала термодинамики..