109. Коловий процес. Теплові двигуни і холодильні машини. Оборотні і необоротні процеси

Коловим процесом (циклом) називається процес, при якому система, про­йшовши через ряд станів, повертається у вихідний стан. На діаграмі процесів цикл зображається замкненою кривою.

Тіло, яке здійснює коловий процес і обмінюється енергією з іншими тілами, називається робочим тілом. Звичайно таким тілом є газ.

Цикл, який виконує ідеальний газ, можна розбити на процеси розширення (1-2) і стискання (2-1) газу (рис. 58). Робота роз­ширення. яка визначається площею фігури 1а2V₂V₁1, додатнa (dV > 0), робота стиску­вання, що визначається площею фігури 2b1V₁V₂2, від'ємна (dV<0). Робота, яка виконується газом за цикл

визначається заштрихованою площею, що охоплюється кривою 1a2b1.

Якщо за цикл виконується додатна робота А>0 (цикл виконується за годинни­ковою стрілкою), то він називається прямим. При прямому циклі робочому тілу, надається кількість теплоти Q₁ і тіло виконує роботу розширення А_1-2 . Внутрішня енергія змінюється на величину U=U₂ - U₁ , де U1 i U2 - внутрішня енергія тіла в стані 1 і 2, відповідно. Потім тіло стискається, над ним виконується робота А^'_2-1 = -A_{2-1 ,} яка менша, ніж А_1-2 , і від нього забирається кількість теплоти Q₂ , яка менша Q₁. Внутрішня енер­гія змінюється на величину - U. Робота стискування виконується за рахунок викорис­тання частини роботи виконаної при розши­ренні робочого тіла, наприклад, за рахунок кінетичної енергії маховика, що почав оберта­тись при розширенні робочого тіла. За першим законом термодинаміки для про­цесу розширення Q₁ = U + A_1-2, для процесу стискання:-Q₂ = -U - A_2-1.

Якщо ці рівняння додати, то отрима­ємо Q₁ - Q₂ = A_1-2 - A_2-1 = A.

Після закінчення циклу тіло повер­тається в свій початковий стан, внутрішня енергія тіла не змінюється. Тому робота циклу може виконуватись лише за рахунок зовніш­ніх джерел, що підводять до тіла теплоту.

Прямий цикл використовується в теп­ловому двигуні, в якому робоче тіло отримує енергію у формі теплоти від зовнішніх джерел і частину її віддає у формі роботи. Тепловий двигун складається з трьох частин: нагрівник, робоче тіло, холодильник (рис. 59). Від термо­стата з вищою темпера­турою Т₁, який назива­ється нагрівником, за цикл відбирається кіль­кість теплоти Q₁, а термостату з нижчою температурою Т₂, який називається холодильником, за цикл передається кількість теплоти Q₂ і виконується робота А = Q₁ - Q₂.

Тепловий двигун характеризується коефіцієнтом корисної дії , який дорівнює відношенню роботи А, яка виконана тілом за цикл роботи, до кількості теплоти Q₁, що отримало тіло від нагрівника:

Температура газу при його стискуван­ні повинна бути нижча, ніж при розширенні. Тоді тиск газу у всіх проміжних станах при стиску буде менший, ніж при розширенні, і буде виконано умову А_1-2>А_2-1, необхідну при виконанні двигуном корисної роботи.

Якщо здійснити цикл проти годинни­кової стрілки, то робота буде та сама за абсо­лютною величиною, але від'ємна (рис. 60):

Такий процес називається зворотним. Зворотний цикл використовується в холодильних машинах - періодично діючих установках, в яких за рахунок роботи зовніш­ніх сил теплота переноситься до тіла з вищою температурою (рис. 61). Така машина забирає за цикл від тіла з температурою Т₂, кіль­кість теплоти Q₂ і від­дає тілу при темпера­турі Т₁, кількість теп­лоти Q₁. Над машиною за цикл повинна бути виконана робота A. Кількість відданої теплоти Q₁ дорівнює сумі отриманої кількості теплоти Q₂ і роботи, яку виконали зовнішні сили:

Q₁ = Q₂ +A.

Отже, чистий результат циклу полягає в тому, що тіло з меншою температурою, від якого забирається певна кількість теплоти, охолоджується, а тіло з вищою температурою, якому віддається теплота, нагрівається.

Ефективність холодильної машини характеризуеться її холодильним коефіцієнтом, який дорівнює відношенню віднятої кількості теплоти Q₂ до роботи, яка затра­чається на приведення машини в роботу:

Робочим тілом в холодильній машині слугують пари рідин, які легко киплять: аміак, фреон і ін. Енергія підводиться до машини від електричної мережі. За рахунок цієї енергії відбувається перехід теплоти від холодильної камери до більш нагрітого тіла - до навколишнього середовища.

Оборотним термодинамічним процесом називається така зміна стану сис­теми, яка, будучи проведена у зворотному напрямку, повертає її в початковий стан так, щоб система пройшла через ті самі проміжні стани, що і у прямому процесі, але у зворотній послідовності, а стан тіл поза системою залишився незмінним.

Необоротним називається процес, коли зворотний перехід через ті самі проміжні стани неможливий.

Будь-який рівноважний процес є оборотним.

Оборотні процеси - це до деякої мі­ри ідеалізація реальних процесів. Всі реаль­ні процеси є необоротними.