Круговые термодинамические процессы или циклы

В рассмотренных ранее термодинамических процессах изучались
вопросы получения работы или вследствие подведенной теплоты, или
вследствие изменения внутренней энергии рабочего тела, или одно -
временно вследствие того и другого. При однократном расширении
газа в цилиндре можно получить лишь ограниченное количество работы. Следовательно, для повторного получения работы необходимо в процессе сжатия возвратить рабочее тело в первоначальное состоя­ние, т.е. совершить круговой процесс или цикл. Из рис. 7.1 следует, что если рабочее тело расширяется по кривой 1-3-2, то оно производит работу, изображаемую на рυ-диаграмме пл. 13245. По достижении точки 2 рабочее тело должно быть возвра­щено в начальное состояние (в точку 1), для того чтобы оно снова мог­ло произвести работу. Процесс возвращения тела в начальное состоя­ние может быть осуществлен тремя путями.

1. Кривая сжатия 2-3-1 совпадает с кривой расширения 1-3-2.
В таком процессе вся полученная при расширении работа (пл. 13245)
равна работе сжатия (пл. 23154) и положи­тельная работа равна нулю.

2. Кривая сжатия 2-6-1 располагается над линией расширения 1-3-2; при этом на сжатие затрачивается большее количество работы (пл. 51624), чем ее будет получено при расширении (пл. 51324).

3. Кривая сжатия 2-7-1 располагается под линией расширения 1-3-2. В этом кру­говом процессе работа расширения (пл. 51324) будет больше работы сжатия (пл. 51724). В результате вовне будет отдана положительная работа, изображаемая пл. 13271 внутри замкнутой линии кругового процесса, или цикла.

Повторяя цикл неограниченное число раз, можно за счет подводи­мой теплоты получить любое количество работы.

Цикл, в результате которого получается положительная работа, называется прямым циклом, или циклом теплового двигателя; в нем работа расширения больше работы сжатия. Цикл, в результате кото­рого расходуется работа, называется обратным; в нем работа сжатия больше работы расширения. По обратным циклам работают холодильные установки.

Циклы бывают обратимые и необратимые. Цикл, состоящий из равновесных обратимых процессов, называют обратимым. Рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химическим изменениям.

При расширении газа будем наблюдать явления в обратном порядке. Непосредственно у поршня давление газа будет меньше, чем в остальном объеме, и потребуется некоторое время для того, чтобы газ равномерно расширился и занял весь объем цилиндра. Таким образом, процессы расширения и сжатия с конечными скоростями являются необратимыми термодинамическими процессами.

Обратимые термодинамические процессы являются идеальными процессами. В них при расширении газ производит максимальную работу, определяемую уравнением

,

где – давление рабочего тела, равное давлению внешней среды.

А при сжатии, когда рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, в обратимом процессе затрачивается минимальная работа.

Все действительные процессы, протекающие в природе и в технике, сопровождаются явлениями трения или теплопроводности при конечной разности температур и являются необратимыми. Однако многие необратимые процессы, с которыми приходится иметь дело на практике, сравнительно мало отличаются от обратимых.

Обратимый процесс представляет собой некоторый предельный случай действительного процесса.

Если хоть один из процессов, входящих в состав цикла, является необратимым, то и весь цикл будет необратимым.

Результаты исследований идеальных циклов могут быть перенесены на действительные, необратимые процессы реальных машин путем введения опытных поправочных коэффициентов.