Круговые процессы

Циклом или круговым процессом называется совокупность термодинамических процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние. Число таких процессов может быть любым.

Рис. 1. Термодинамическая система в координатах Р – v - T

На термодинамической поверхности цикл графически изображается замкнутым контуром, вид которого всецело определяется числом и формой составляющих цикл процессов.

На рис. 1 изображен цикл D-E-F-D, состоящий из трех процессов: D-E, E-F и F-D. Последовательное перемещение по этим кривым приводит в исходную точку, т. е. к восстановлению первоначального состояния системы.

Графическое изучение циклов, изображенных в пространственной системе координат, было бы еще более трудным, чем отдельных процессов. Поэтому и в этом случае используется тот же метод, что и при изучении процессов, т. е. цикл проектируется и изучается на одной из координатных плоскостей в сочетании с уравнением состояния. Проекцию D' E' F' D' на плоскость v-p также принято называть циклом. Следует отметить, что координатная плоскость v-p при изучении циклов имеет важное значение. Циклы графически изображаются на плоскости в координатах p – v, T – s или i-s.

Если цикл совершается по часовой стрелке, то он называется прямым, если против – то обратным. Прямой цикл характерен для тепловых двигателей, обратный цикл — для холодильных машин и тепловых насосов.

Машина, работающая по тепловому циклу, всегда работает при определенном перепаде температур. Это означает, что для работы такой машины необходимо иметь, по крайней мере, два источника теплоты, из которых один с более высокой температурой и другой с меньшей температурой. В термодинамике источник теплоты с более высокой температурой, от которого машина получает теплоту, принято называть горячим или высшим, а источник с меньшей температурой — холодным (часто холодильником)или низшим.

В машинах – двигателях:

-в координатах p – v площадь c1a2d равна положительной работе цикла в процессе подвода теплоты от горячего источника, а c1b2d – работе, затраченной на сжатие при возврате из состояния 2 в состояние 1 и отводе теплоты к холодному источнику.

Циклы тепловых машин в координатах p - v: а) цикл машины-двигателя; б) цикл холодильной машины

Если цикл совершается против часовой стрелки(холодильный цикл), то направления потоков теплоты q₁ и q₂ меняются на противоположные по отношению к прямому циклу.

В холодильной машине теплота, переданная горячему источнику, равна сумме теплоты, отведённой от холодного источника, и теплоты, эквивалентной механической работе, затраченной на осуществление цикла.

Рис. 2

Особенностью диаграмм в координатах Ts является то, что линии адиабат являются перпендикулярами к оси s, а изотермы – к оси Т. Поэтому в этих координатах точки А и В соответствуют минимальному и максимальному значению энтропии s. Наглядны также точки минимальной и максимальной температур цикла.

Изменение внутренней энергии u и энтальпии i в любом цикле равны нулю. Работа цикла l_о соответствует площади, заключенной внутри замкнутого контура цикла, причем в прямом цикле работа положительна, а в обратном цикле - отрицательна. Обозначим q₁ количество тепла, заимствованного 1 кг рабочего тела от внешнего (или верхнего) источника тепла и через q₂ — количество тепла, отданного 1 кг рабочего тела внешнему охладителю (или нижнему источнику). В координатах T-s (рис. 2.) поступление q₁ начинается в точке А, где контура касается линия адиабаты, и заканчивается в точке В (тепловой цикл). Отвод q₂, соответственно, происходит между точками В и А. Таким образом, в точках А и В поток теплоты меняет знак.

В координатах T – s площадь A¹A1BB¹ равна подведённой к рабочему телу теплоте q₁, а площадь A¹A2BB¹ - отведённой к холодному источнику теплоте q₂. Площадь, заключенная внутри замкнутого контура цикла представляет собой величину работы за один цикл l_о, причемработа положительна, если цикл совершается по часовой стрелке, и отрицательна, если он совершается против часовой стрелки.

В любом случае l_о= q₁ - q₂.

В прямом цикле это полезно использованное в цикле тепло, в обратном – затраченная работа на осуществление цикла.