24. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы). Принцип действия тепловой машины

Обратимыми называются такие процессы, которые удовлетворяют следующим условиям.

1. После прохождения этих процессов и возвращения термодинамической системы в исходное состояние в окружающей среде не должно остаться никаких изменений.

2. Процесс может самопроизвольно протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.

Примером обратимых процессов служат все механические процессы, в которых выполняются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса — абсолютно упругий удар, незатухающие механические колебания и т.д.

Необратимыми называются такие процессы, после прохождения которых термодинамическая система не может самопроизвольно вернуться в исходное состояние. Вернуть систему в исходное состояние можно лишь с помощью внешнего вынуждающего процесса, однако при этом в окружающей среде обязательно произойдут те или иные изменения. Каждый необратимый процесс в одном направлении протекает самопроизвольно, а в обратном — лишь с помощью внешнего, компенсирующего процесса.

Примером необратимых процессов являются такие механические процессы, как неупругие соударения или затухающие механические колебания. Последний процесс всегда самопроизвольно идёт в направлении убыли амплитуды и механической энергии системы.

Необратимым является также процесс передачи теплоты от горячего тела к холодному. Результат такого процесса — выравнивание температур различных частей термодинамической системы. После выравнивания температур система не может самопроизвольно вернуться в исходное состояние, в котором температуры отдельных её частей различны.

Рис. 24.1

Циклическим процессом (или циклом) называется такой термодинамический процесс, в котором система возвращается в исходное состояние, проходя через другие промежуточные состояния в прямом и обратном процессах. В координатах Р и V цикл изображается замкнутой кривой (рис. 24.1).

Поскольку внутренняя энергия термодинамической системы — однозначная функция её состояния, то в циклическом процессе её значения в начальном и конечном состояниях совпадают, поэтому dU= 0.

Тепловыми машинами называются устройства, с помощью которых тепловая энергия может превращаться в механическую работу. Любая тепловая машина в процессе своей работы должна периодически возвращаться в исходное состояние, т.е. в ней должны происходить циклические процессы.

Основные части тепловой машины любого типа — рабочее тело, холодильник и нагреватель (рис. 24.2).

Рабочим телом называется термодинамическая система, совершающая процессы, в результате которых тепловая энергия превращается в механическую работу.

а

б

Рис. 24.2

Нагревателем называется термодинамическая система, сообщающая рабочему телу тепловую энергию.

Холодильником называется термодинамическая система, получающая от рабочего тела часть тепловой энергии.

В прямом цикле рабочее тело совершает положительную работу (рис. 24.2,а). На P-V диаграмме прямой цикл соответствует движению по часовой стрелке.

В обратном цикле рабочее тело совершает отрицательную механическую работу и переносит теплоту от холодильника к нагревателю (рис. 24.2,б). На обратном цикле основано действие холодильных машин.

Термический КПД тепловой машины

,

(24.1)

где A — механическая работа, выполненная за один цикл; Q₁ — теплота, полученная рабочим телом от нагревателя; Q₂ — теплота, отданная холодильнику.