Термодинамические циклы

Термодинами́ческие ци́клы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура и энтропия).

Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу.

Компонентами любой тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).

Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно. Существуют также другие циклы (например, цикл Стирлинга и цикл Эрикссона^[англ.]), в которых обратимость достигается путём введения дополнительного теплового резервуара — регенератора. Общим (т.е. указанные циклы частный случай) для всех этих циклов с регенерацией является Цикл Рейтлингера. Можно показать (см. статью Цикл Карно), что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью.

Основные принципы

Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона (см. Второе начало термодинамики). Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы.

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты ([math]\displaystyle{ Q_1 }[/math]) у нагревателя и отдаёт количество теплоты [math]\displaystyle{ Q_2 }[/math] холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом,

[math]\displaystyle{ A = (Q_1 - Q_2) - \Delta U = Q_1 - Q_2 }[/math],

так как изменение внутренней энергии [math]\displaystyle{ U }[/math] в круговом процессе равно нулю (это функция состояния).

Напомним, что работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.

При этом нагреватель потратил энергию [math]\displaystyle{ Q_1 }[/math]. Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен

[math]\displaystyle{ \eta =\frac {A} {Q_1}=\frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} }[/math].

Вычисление работы и КПД в термодинамическом цикле

Работа в термодинамическом цикле, по определению, равна

[math]\displaystyle{ A = \oint_{C} P dV }[/math],

где [math]\displaystyle{ C }[/math] — контур цикла.

C другой стороны, в соответствии с первым началом термодинамики, можно записать

[math]\displaystyle{ A = \oint_{C} \delta Q - dU = \oint_{C} \delta Q = \oint_{C} T dS }[/math].

Аналогичным образом, количество теплоты, переданное нагревателем рабочему телу, равно

[math]\displaystyle{ Q_1 = \int_{A \rightarrow B} \delta Q = \int_{A \rightarrow B} T dS }[/math].

Отсюда видно, что наиболее удобными параметрами для описания состояния рабочего тела в термодинамическом цикле служат температура и энтропия.

Цикл Карно и максимальный КПД тепловой машины

Основная статья: Цикл Карно.

Представим себе следующий цикл:

Фаза А→Б. Рабочее тело с температурой, равной температуре нагревателя, приводится в контакт с нагревателем. Нагреватель сообщает рабочему телу [math]\displaystyle{ Q_1=T_H(S_2-S_1) }[/math] тепла в изотермическом процессе (при постоянной температуре), при этом объём рабочего тела увеличивается.

Фаза Б→В. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться адиабатически (без теплообмена с окружающей средой). При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Фаза В→Г. Рабочее тело приводится в контакт с холодильником и передает ему [math]\displaystyle{ Q_2=T_X(S_2-S_1) }[/math] тепла в изотермическом процессе. При этом объём рабочего тела уменьшается.

Фаза Г→А. Рабочее тело адиабатически сжимается до исходного размера, и его температура увеличивается до температуры нагревателя.

Его КПД равен, таким образом,

[math]\displaystyle{ \eta = \frac{Q_1-Q_2}{Q_1} = \frac{T_H(S_2-S_1)-T_X(S_2-S_1)}{T_H(S_2-S_1)} = \frac{T_H-T_X}{T_H} }[/math],

то есть, зависит только от температур холодильника и нагревателя. Видно, что 100%-ный КПД можно получить только в том случае, если температура холодильника есть абсолютный нуль, что недостижимо.

Можно показать, что КПД тепловой машины Карно максимален в том смысле, что никакая тепловая машина с теми же температурами нагревателя и холодильника не может обладать бо́льшим КПД.

Заметим, что мощность тепловой машины Карно равна нулю, так как передача тепла в отсутствие разности температур идёт бесконечно медленно.

См. также

Ссылки

Литература

Базаров И. П. Термодинамика. (недоступная ссылка) М.: Высшая школа, 1991, 376 с.
Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-ое испр. М.: Едиториал УРСС, 2003. 120 с.
Дыскин Л.М., Пузиков Н.Т. Расчет термодинамических циклов.
Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. Т.1: Теория равновесных систем: Термодинамика. Том.1. Изд. 2, испр. и доп. М.: УРСС, 2002. 240 с.
Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 519 с.
Александров А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. Издательство МЭИ, 2004.