Круговые термодинамические процессы или циклы

Необратимые процессы протекают в прямом и обратном направлениях при неравноценных внешних условиях. Направленность процессов и условия их протекания устанавливаются в самом общем виде вторым законом термодинамики. Этот закон определяет условия, при которых возможно превращение теплоты в механическую работу в тепловых машинах. При этом должны соблюдаться количественные соотношения, определяемые первым законом термодинамики.

Чтобы непрерывно производить работу в тепловом двигателе, необходим круговой процесс.

В рассмотренных выше термодинамических процессах изучались вопросы получения работы или вследствие подведенной теплоты, или вследствие изменения внутренней энергии рабочего тела, или одновременно вследствие того и другого. При однократном расширении газа в цилиндре можно получить лишь ограниченное количество работы, так как при лю-

бом процессе все же наступит момент, когда температура и давление рабочего тела станут равными температуре и давлению окружающей среды и на этом прекратится получение работы. Следовательно, для повторного получения работы необходимо в процессе сжатия возвратить рабочее тело в первоначальное состояние. Из рис. 7.1 следует, что если рабочее тело расширяется по кривой 1-3-2, то оно производит работу, изображаемую на pv -диаграмме пл. 13245.

Рис. 7.1. Работа расширения и сжатия

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 атия 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 во внешнюю среду будет отдана положительная работа, равная 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 обратному циклу 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.

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.