Круговые процессы

В термодинамике и технике большое значение имеют круговые процессы или циклы – такая совокупность терм. процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Равновесные круговые процессы изображаются на диаграммах р-V, р-T и других в виде замкнутых кривых, поскольку началу и концу кругового процесса соответствует одна точка на диаграмме.

Тело, совершающее круговой процесс и обменивающееся энергией с другими телами называется рабочим телом. Обычно это газ. Круговые процессы лежат в основе работы всех тепловых машин – двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, холодильных машин и др. Поэтому одной из главных задач термодинамики является изучение круговых процессов.

Произвольный равновесный круговой процесс, совершаемый из состояния 1 в состояние 2 можно условно разбить на два: расширение газа из состояния 1 в состояние 2 – кривая a и сжатие из состояния 2 в состояние 1, кривая в,.рис.

При расширении газ совершает положительную работу А₁, измеряемую площадью V₁ 1 a 2 в V₂. При сжатии газа внешние силы совершают над газом положительную работу А’₂ = -А₂ – площадь V₁ 1 в 2 V₂. Из рис. видно, что А₁> А’₂ и равна площади фигуры 1 a 2 в 1. Этот цикл называется прямым. Примером может быть цикл, совершаемый рабочим телом в тепловом двигателе, где теплота от внешнего источника поступает к рабочему телу и часть ее отдается в виде работы другому телу.

Чтобы работа газа за цикл была больше нуля, давление, а следовательно, Т в процессе расширения газа должны быть выше, чем при его сжатии. Для этого рабочему телу в процессе расширения необходимо сообщать тепло, а в процессе сжатия отбирать от него тепло.

Если бы круговой процесс протекал в обратном направлении, т.е. против часовой стрелки, то суммарная работа, совершенная газом за цикл оказалась бы отрицательной и измерялась бы по прежнему площадью 1 a 2 в 1. Такой цикл называется обратным. Примером является круговой процесс, совершаемый рабочим телом в холодильной машине. В обратном цикле рабочее тело передает теплоту от холодного тела к более нагретому за счет затраты положительной работы внешних сил.

Внутренняя энергия рабочего тела зависит только от его термодинамического состояния. Поэтому ее полное изменение за цикл:

ΔU = 0

Значит, для любого кругового процесса по 1-му з-ну термодинамики должно быть:

Q = A

Q – общее к-во теплоты, сообщенное рабочему телу в данном цикле, а

А – работа, совершенная рабочим телом за цикл.

В прямом цикле Q>0, т.е. к рабочему телу подводят теплоты больше, чем от него отводится, соответственно, за цикл совершается положительная работа А = Q

В обратном цикле Q<0, и за цикл внешние силы совершают работу A’ = -A>0