Тепловые машины и их эффективность

Циклическим называется процесс, в результате которого система возвращается в начальное состояние.

На диаграмме цикл изображается замкнутой кривой (рис.4). Проинтегрировав по циклу равенство, выражающее первое начало термодинамики, получим важный результат:

Рис.4

Рис.4

(5)

Ац=Q(+)+Q(-)

(6)

Циклические процессы являются основой действия тепловых машин. Если цикл идет по часовой стрелке, то машина работает в режиме двигателя (рис.5), если против часовой стрелки, то в режиме холодильника или кондиционера (рис.6).

Рис.5. Схема работы двигателя Рис.6. Схема работы холодиль-

ной машины

Циклический процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара, невозможен. (Второе начало термодинамики, формулировка Кельвина.)

Эффективность двигателя характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД).

Эффективность холодильника, кондиционера – коэффициентом использования энергии ξ (КИЭ).

Особое значение в термодинамике имеет цикл Карно (рис.7). Он состоит из двух изотерм и двух адиабат.

Т₁>Т₂;

(11)

(12)

Рис.7

КПД произвольной тепловой машины не может превосходить КПД идеальной машины, работающей по циклу Карно с теми же самыми температурами нагревателя Т₁ и холодильника Т₂. (Вторая теорема Карно). Утверждение справедливо и для КИЭ.

Рис.9

КПД и КИЭ цикла Карно применяют для оценки сверху эффективности реальной тепловой машины.