Круговой процесс. Цикл Карно

Термодинамический (ТД) процесс, совершаемый системой, называется обратимым, если после его завершения можно возвратить систему и все взаимодействующие с ней тела в начальное состояние так, чтобы в других телах (окружающей среде) не возникло каких-либо остаточных изменений. В противном случае процесс называется необратимым, например, переход механической энергии в тепловую под действием силы трения. Для осуществления обратного процесса требуется, чтобы остановившееся тело вновь пришло в движение за счет энергии, выделившейся при охлаждении его и окружающей среды. Опыты показывают, что хаотичное (тепловое) движение частиц тела не может самопроизвольно привести к возникновению упорядоченного движения всех частиц тела как единого целого. Для этого необходим компенсирующий процесс: отдача системой теплоты другому телу и совершение над ним работы. При этом система возвращается в исходное состояние, но есть остаточные изменения в окружающей среде. Таким образом, все процессы, сопровождаемые трением, являются необратимыми. Вообще реальные процессы можно считать обратимыми лишь, если они протекают достаточно медленно.

Круговым процессом или циклом называется такая совокупность ТД процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Циклы изображаются на диаграммах P – V, P – T, T – V замкнутыми кривыми. Тело, совершающее круговой процесс и обменивающееся энергией с другими телами, называется рабочим телом (обычно газ).

Цикл называется прямым, если работа, совершаемая газом за цикл (работа – площадь, ограниченная кривыми, см. рис. 12.1, а), и обратным, если (рис. 12.1, б). Положительной считается работа расширения газа, а отрицательной – работа сжатия газа. Прямые циклы используются в двигателях внутреннего сгорания (тепловых), обратные – в холодильниках.

В результате кругового цикла система возвращается в исходное состояние и , следовательно, . Тогда суммарная работа газа за цикл: , где Q ₁ – теплота, полученная извне (от нагревателя); Q ₂ – теплота, отданная системой вовне (холодильнику).

По определению коэффициент полезного действия (КПД) равен

. (12.1)

Так как в реальных системах всегда существуют потери энергии (теплопередача вовне сквозь теплоизоляцию, действие диссипативных сил), то КПД всегда меньше 1.

Рис. 12.1

Цикл вида (рис. 12.1, а) называется циклом Н.Л.С. Карно (1796–1832) (единственная работа «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», 1824 г., вопрос о «получении движения из тепла»).

Так как линии 12 и 34 – изотермы, а 23 и 41 - адиабаты, то теплота сообщается системе только научастке 12 (), а отдается только на участке 34 (, ).

Для цикла Карно справедлива теорема Карно: термический КПД не зависит от физической природы тел, совершающих цикл, а лишь от значения температур нагревателя Т ₁ и холодильника Т ₂:

. (12.2)

Переход (*) справедлив только для цикла Карно: записав уравнение (11.25) для адиабат 23 и 41 и , получают (–*–); т.к. теплота сообщается только на участках (изотерм) 12 и 34, то она будет равна работе согласно формуле (11.19). Подставляя затем эти выражения вместо Q_i в (12.2) с учетом (–*–) получают переход (*).