Циклы тепловой и холодильной машин. КПД цикла.

Обратимый и необратимый процессы

Циклы тепловых и холодильных машин

 

 

Обратимым называется такой процесс, при котором возможно обратное возвращение системы в первоначальное состояние через те же промежуточные состояния, что и в прямом направлении, так, чтобы в окружающих систему телах не произошло никаких изменений.

Если процесс протекает так, что после его окончания систему нельзя вернуть в исходное состояние без того, чтобы в самой системе или в окружающей среде не осталось никаких изменений, то такой процесс будет необратимым.

Все реальные процессы необратимы, так как в любой реальной системе всегда действуют силы трения, сопротивления, а все тепловые процессы протекают не бесконечно медленно, а с конечной скоростью. Тем не менее изучение обратимых процессов имеет большое значение, так как позволяет указать пути максимального приближения реальных необратимых процессов к идеальным обратимым.

 

Циклом или круговым процессом называется такой процесс, при котором система переходит из одного термодинамического состояния в другое, а затем возвращается в первоначальное, но через другие промежуточные состояния.

Рассмотрим цикл, изображенный на рис. 3.1 замкнутой кривой . Цикл состоит из двух процессов: расширения газа (участок ) и сжатия ( участок ). При расширении газ совершает работу , численно равную площади фигуры . При сжатии над газом совершается работа , численно равная площади фигуры . Работа цикла , равная сумме работ в каждом из процессов, численно равна площади фигуры, ограниченной графиком цикла.

 
 
 
 
 
Рис. 3.1
 
 
 
 
 
 

 

 В круговом процессе изменение внутренней энергии равно нулю, поэтому первое начало термодинамики будет иметь вид:   т.е. теплота, переданная газу, идет на совершение работы. Различают прямой цикл, или цикл тепловой машина, и обратный цикл, или цикл холодильной машины.  

В прямом цикле линия расширения газа на диаграмме лежит выше линии сжатия – работа за цикл будет положительной. В обратном цикле наоборот: линия расширения газа расположена ниже линии сжатия – работа за цикл будет отрицательной.

 
 
 
 
 
Рис. 3.2  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 Применим первое начало термодинамики к процессам расширения и сжатия цикла, изображенного на рис. 3.2. При расширении (участок ) :   (3.1) Чтобы линия сжатия была ниже линии расширения, теплоту при сжатии нужно отводить. Поэтому при сжатии ( участок ):  
   
  (3.2)
     

Сложив выражения (3.1) и (3.2), получим:

  (3.3)

Следовательно, в тепловой машине за один цикл совершается полезная работа, равная разности между количеством теплоты, полученном при расширении газа и количеством теплоты, отданным при сжатии.

Рис. 3.3
 
 
 
 
 
 

 

 На рис. 3.3 представлена схема работы тепловой машины. Теплота от нагревателя передается рабочему телу. Частично за счет этой теплоты совершается работа , а теплота передается холодильнику. Степень экономического эффекта тепловой машины оценивается отношением полезной работы к количеству теплоты , которое подводится к рабочему телу от нагревателя. Это отношение называется коэффициентом полезного действия (КПД), который с учетом выражения (3.3) будет равен:  

Так как в работу превращается только часть полученной от нагревателя теплоты , а теплота передается холодильнику и в машине не используется, то КПД цикла всегда будет меньше 100 %.