Классификация циклов.

1. Насколько можно понять из изученной литературы, классическая термодинамика занимается изучением вопросов о взаимном превращении теплоты и работы.

В аспекте исследования циклов классическая термодинамика рассматривает вопросы идеальных гипотез взаимного превращения теплоты и работы. Она исследует закрытые и изолированные термодинамические системы. Соответственно этому идеальные циклы должны быть: равновесными, круговыми, обратимыми и замкнутыми или изолированными.

«Термодинамическая система называется закрытой, если ее контрольная поверхность не допускает обмена веществом. Система, которая может обмениваться веществом с окружающей средой, называется открытой. Закрытая система, поверхность которой не допускает обмена энергией, называется изолированной». («Теплотехника», стр. 24, подчеркнуто мной).

Техническая термодинамика наряду с перечисленными вопросами рассматривает и открытые системы, к которым, в частности, относятся и двигатели внутреннего сгорания. Циклы, протекающие в открытых системах, не обладают перечисленными признаками идеальных циклов.

Однако по не понятным причинам в технической термодинамике подход к рассмотрению, исследованию и анализу открытых циклов следующий:

«Для термодинамического анализа реальные рабочие процессы этих двигателей схематизируют, принимая следующие допущения:

все процессы обратимы и составляют обратимый круговой процесс - термодинамический цикл;

тепловыделение за счет сгорания топлива, рассматривают как подвод теплоты к рабочему телу от источника с высокой температурой, а выпуск горячих продуктов сгорания в атмосферу - как отвод теплоты от рабочего тела к источнику с низкой температурой;

все процессы протекают с одним и тем же количеством рабочего тела, рассматриваемого, как идеальный газ, теплоемкость которого не зависит от температуры и химический состав постоянен». («Теплотехника», стр. 82).

Согласно приведенной цитате, для рассмотрения и анализа открытых циклов используется та же самая методика, которая используется для рассмотрения и анализа закрытых или изолированных циклов.

Такой подход противоречит:

1. Логике. Различия между открытой и закрытой термодинамическими системами столь велики и важны, что их определения даются уже во вводной части курса технической термодинамики наряду с другими основополагающими понятиями. Поэтому, если мы намерены исследовать какую-то конкретную совокупность явлений или взаимосвязь процессов (открытые системы и циклы) и желаем при этом получить правильный результат, то надо исследовать именно эту совокупность явлений или взаимосвязь процессов, а не другую (закрытые системы и циклы).

2. Термодинамике. Термодинамическая система независимо от ее вида (закрытая или открытая) должна содержать горячий источник, холодный источник, рабочее тело и потребителя работы. «Под окружающей средой следует понимать совокупность внешних объектов, с которыми термодинамическая система может взаимодействовать, обмениваясь с ними энергией или веществом». («Теплотехника», стр. 24).

Для термодинамической системы окружающая среда не может быть ни горячим, ни холодным источником. Термодинамическая система является частью окружающей среды. В плане масштабного соотношения окружающая среда является макроскопической средой, а термодинамические системы, как микроскопические среды, являются ее частями.

Закрытая термодинамическая система не взаимодействует с окружающей средой. Внутренняя «конструкция» закрытой термодинамической системы способна обеспечить ее функционирование без сообщения с окружающей средой. Открытая термодинамическая система без взаимодействия с окружающей средой не может функционировать. По завершении цикла она должна удалить в окружающую среду использованное рабочее тело с частью, не использованной теплоты. Для начала нового цикла она должна получить из окружающей среды новое рабочее тело. Как видно из приведенной цитаты, техническая термодинамика рассматривает выпуск горячих продуктов сгорания в атмосферу - как отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику.

По нашему мнению из такого подхода следуют выводы: 1. Открытая термодинамическая система, в отличие от закрытой, не содержит в себе холодный источник, так как холодным источником считается окружающая среда. 2. Окружающая среда, как холодный источник, становится частью открытой термодинамической системы. То есть, хотя любая термодинамическая система является лишь одной из множеств объектов окружающей среды, принимая приведенное допущение, техническая термодинамика делает утверждение о том, что сама окружающая среда становится частью (холодным источником) открытой термодинамической системы.

Мы считаем, что открытая термодинамическая система, как и закрытая, является лишь одним из объектов окружающей. Окружающая среда не может быть частью термодинамической системы, а потому ее нельзя считать холодным источником. Открытая термодинамическая система, как и закрытая, содержит в себе горячий источник, холодный источник, рабочее тело и потребителя работы. В отличие от закрытой системы она сообщается с окружающей средой, принимая из нее свежее рабочее тело и отдавая в нее использованное рабочее тело.

Закрытая термодинамическая система изолирована от окружающей среды. Соответственно этому она не нуждается в обновлении рабочего тела. Рабочее тело в закрытой термодинамической системе является постоянным.

В паровой машине Ньюкомена печь и котел для вырабатывания пара располагались отдельно от цилиндра. Пар подавался в цилиндр и совершал работу. После этого для охлаждения и конденсации пара в цилиндр взбрызгивалась вода. Но при таком процессе охлаждались и стенки цилиндра. В виду этого при подаче в цилиндр новой порции пара, значительное количество энергии расходовалось на нагревание стенок.

То есть, в данном паровом двигателе горячий источник был вне цилиндра, а холодный источник располагался внутри цилиндра. Такое устройство двигателя обеспечивало КПД не более 1%, так как значительная часть подводимой энергии напрямую уходила к холодному источнику.

Д.Уатт снабдил паровой двигатель конденсатором. После совершения работы пар выводился из цилиндра и охлаждался в отдельной емкости- конденсаторе. Выведение холодного источника из цилиндра позволило увеличить КПД двигателя почти в 10 раз.

В замкнутых циклах рабочее тело своим химическим составом в преобразовательных процессах не участвует. Поэтому оно является постоянным. В разомкнутых циклах рабочим телом является атмосферный воздух. В цилиндре двигателя внутреннего сгорания кислород, содержащийся в воздухе, выгорает. Поэтому для повторного использования рабочее тело в разомкнутых циклах непригодно.

Такая особенность изолированной и открытой систем обусловила и особенности подвода теплоты в циклах. В закрытой системе горячий источник, холодный источник и цилиндр с рабочим телом отделены друг от друга. С момента сгорания в печи химическая энергия топлива преобразуется в тепловую. При этом высвобожденная тепловая энергия будет стремиться к любому источнику с более низкой температурой. Коэффициент ее полезного использования будет зависеть от того, в какой степени рабочее тело способно обеспечить «доставку» тепловой энергии в цилиндр для совершения работы. Т.е. в замкнутых циклах рабочее тело получает энергию от горячего источника вне цилиндра. Совершает работу в цилиндре, после чего сжимается в цилиндре и в сжатом виде подается из цилиндра в холодный источник. Паровая машина Ньюкомена показывает, в какой степени размещение холодного источника в цилиндре, влияло на величину КПД двигателя. Если и нагреватель разместить внутри цилиндра, двигатель не будет работать, так как теплота от нагревателя будет переходить не к рабочему телу, а напрямую к холодному источнику.

В открытой системе сгорание происходит непосредственно в цилиндре. Процесс преобразования химической энергии топлива в тепловую и процесс подвода теплоты к рабочему телу совпадают и образуют единый процесс. До протекания основной фазы сгорания в зоне ВМТ через стенки цилиндра в систему охлаждения отводится теплота компенсации. По завершении цикла непригодное к повторному использованию рабочее тело с частью, не использованной циклом теплоты, удаляется в окружающую среду.

Из-за перечисленных особенностей двигатели, в которых осуществляется замкнутый цикл, называются двигателями с внешним подводом теплоты. Двигатели, в которых осуществляется разомкнутый цикл, называются двигателями внутреннего сгорания.

3. Согласно «Теплотехнике» «Изохорный процесс определяется условием υ=const. Соотношение между параметрами р и Т в этом процессе, т.е. уравнение изохоры в рТ- координатах: р/Т= const. В изохорном процессе δq= du, т. е. вся подведенная к газу теплота расходуется на изменение его внутренней энергии». (Стр. 41-42).

«Изобарный процесс определяется условием p=const. Соотношение между параметрами υ и Т в этом процессе, а значит, и уравнение изобары в υТ-координатах получим: υ/Т= const. Для изобарного процесса δq= dh, т.е. вся подведенная теплота расходуется на изменение его энтальпии». (Стр. 43, подчеркнуто мной).

Примечание: Данный вывод нам представляется ошибочным. Вся подведенная теплота может расходоваться на изменение энтальпии рабочего тела только в изохорном процессе. «энтальпия идеального газа является только функцией температуры». (Стр. 41). В изобарном процессе на изменение энтальпии расходуется только одна часть теплоты, а вторая часть расходуется на совершение работы.

«Изотермный процесс определяется условием: Т = const. Соотношение между параметрами р и υ изотермного процесса, рυ= const.

Поскольку dТ= 0, внутренняя энергия и энтальпия идеального газа в изотермном процесс не изменяются, поэтому вся теплота, подведенная к газу, расходуется на совершение работы». (Стр. 44).

«Адиабатный процесс протекает без теплообмена между системой и окружающей средой: δq=0, поэтому работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии системы: δl= - du». (Стр. 45).

Энтропия системы сохраняется постоянной только в обратимом (равновесном) адиабатном процессе. На этом основании обратимый адиабатный процесс называется изоэнтропным». (Стр. 45).

Примечание: В связи с данным определением адиабатного процесса у нас возник вопрос: как классическая термодинамика понимает вопросы обратимости других термодинамических процессов идеального газа и идеальных циклов? Допустим, являются ли изотермный и изобарный процессы обратимыми. Может ли процесс (или цикл), по преобразованию теплоты в работу быть обратимым?

«Политропным называется процесс, в котором параметры состояния системы удовлетворяют уравнению вида рυⁿ =const, где n-число постоянное во всем интервале изменения параметров газа. Линия изображающая политропный процесс, называется политропой, а величина n-показателем политропы». (Стр.46).

Таким образом, в изохорном процессе подводимая теплота расходуется только на увеличение внутренней энергии рабочего тела. После насыщения энергией в горячем источнике рабочее тело перемещается в цилиндр. В цилиндре оно адиабатно расширяется и совершает работу. При этом подведенная в предыдущем изохорном процессе теплота преобразуется в работу и теплоту компенсации, и внутренняя энергия рабочего тела уменьшается на соответствующую величину. После совершения работы рабочее тело сжимается (адиабатно), перемещается из цилиндра во внешний холодный источник, где освобождается от теплоты компенсации. Из этого описания следует, что в чистом виде, то есть без смешивания с другими видами процессов газа, изохорный и адиабатный процессы возможны только при внешнем способе подвода теплоты.

Из описания изобарного, изотермного и политропного процессов следует, что теплота к рабочему телу должна подводиться и отводиться непосредственно в цилиндре в процессе совершения работы расширения и сжатия. То есть, они являются внутренними процессами и могут использоваться только в двигателе внутреннего сгорания.

В некоторых двигателях внутреннего сгорания принимается допущение о подводе теплоты по изохорному процессу. Такое допущение не противоречит характеру процесса т.к. объем рабочего тела в период подвода теплоты изменяется незначительно. Адиабатный процесс в двигателях внутреннего сгорания используется на этапе последующего расширения, то есть на этапе расширения следующего за завершением процесса подвода теплоты.

Классификация циклов нами составлена с учетом перечисленных выше особенностей термодинамических систем, термодинамических процессов газа и способов подвода и отвода теплоты.

1. Термодинамический замкнутый,илиидеальныйцикл. Основан на термодинамических процессах идеального газа. Цикл с подводом теплоты по процессу V=Const является замкнутым циклом. Процесс преобразования теплоты в работу данным циклом основан на допущениях о том, что замкнутая термодинамическая система содержит в себе горячий источник, холодный источник, несменяемое рабочее тело- идеальный газ и потребителя работы. Горячий и холодный источники теплоты располагаются вне цилиндра, способ подвода и отвода теплоты внешний. Задача цикла- определить в каких соотношениях теплота, передаваемая от горячего источника рабочему телу, будет преобразована в работу и отведена холодному источнику. Цикл Стирлинга является замкнутым циклом с подводом теплоты по процессу V=Const. «Цикл» Карно не способен преобразовывать теплоту в работу, поэтому является не циклом, а ошибочной моделью цикла.

2. Термодинамические разомкнутые циклы. Также основываются на термодинамических процессах идеального газа. Процесс преобразования теплоты в работу данными циклами основан на допущениях о том, что разомкнутая термодинамическая система также содержит в себе горячий источник, холодный источник, рабочее тело и потребителя работы. Для обновления рабочего тела система сообщается с окружающей средой. В отличие от термодинамической замкнутой, разомкнутая система менее экономична, т.к. часть располагаемой теплоты вместе с рабочим телом удаляется в окружающую среду. Но разомкнутая система более эффективна, т.к. обновленное рабочее тело имеет значительно больший термодинамический потенциал, что позволяет получить большее количество работы.

Задача данных циклов- определить в каких соотношениях будет распределена теплота, передаваемая от горячего источника рабочему телу, при ее преобразовании в работу данной системой. Т.е. сколько теплоты будет преобразовано в работу, отведено холодному источнику и унесено удаляемым рабочим телом во внешнюю среду.

Разомкнутые циклы имеют свой КПД, свою эффективность и свои отличительные от замкнутого цикла признаки – способ подвода теплоты внутренний, по завершении цикла рабочее тело удаляется из системы и перед началом каждого цикла производится обновление рабочего тела. На этом основании мы считаем, что разомкнутые циклы- это самостоятельная группа циклов, требующая отдельного анализа.

При работе над вторым изданием сборника мы полагали, что по признаку использования идеального газа обе группы циклов можно назвать идеальными. Но дальнейшая работа и анализ показали, что идеальным можно назвать только замкнутый цикл, который соответствует установленным равновесной термодинамикой признакам цикла: круговой, обратимый, равновесный и замкнутый и имеет наивысший термический КПД. Разомкнутые термодинамические циклы указанным признакам не соответствуют и имеют более низкий термический КПД. Поэтому считаем, что данная группа циклов должна быть отнесена к простым термодинамическим циклам.

В теории принято считать, что холодный источник термодинамической системы и окружающая среда- это одно и то же. В то же время, никто не будет спорить с утверждением о том, что конкретная термодинамическая система индивидуальна и обособлена от окружающей среды. То есть, горячий источник, холодный источник и рабочее тело относятся только к рассматриваемой системе. При анализе циклов мы не задаемся вопросом о том, из какого источника горячий источник термодинамической системы черпает энергию. Точно таким же образом не должен ставиться вопрос о том, куда девается теплота, переданная холодному источнику, т.к. это не входит в задачу анализа. В разомкнутых системах в качестве потребителя части теплоты появляется еще один субъект - окружающая среда. Теплота, содержащаяся в удаляемом рабочем теле, не передается холодному источнику, а напрямую с рабочим телом выбрасывается в окружающую среду.

Замкнутый цикл в дальнейшем в наших работах для краткости будет называться термодинамическим идеальным или сокращенно идеальным циклом.