Коловий процес. Теплові двигуни і холодильні машини. Оборотні i необоротні процеси

Коловим процесом (циклом) називається процес, при якому система, про­йшовши через ряд станів, повертається у вихідний стан.

На діаграмі процесів цикл зображається замкненою кривою.

Тіло, яке здійснює коловий процес і обмінюється енергією з іншими тілами, називається робочим тілом. Звичайно таким тілом є газ.

Цикл, який виконує ідеальний газ, можна розбити на процеси розширення і стискання газу (рис. 81). Робота розширення, яка визначається площею фігури , додатна , робота стискування, що визначається площею фігури , від’ємна . Робота, яка виконується газом за цикл

,

визначається затемненою площею, що охоплюється кривою .

Якщо за цикл виконується додатна робота (цикл виконується за годинниковою стрілкою), то він називається прямим.

При прямому циклі робочому тілу, надається кількість теплоти і тіло виконує роботу розширення . Внутрішня енергія змінюється на величину , де і – внутрішня енергія тіла в стані і , відповідно. Потім тіло стискається, над ним виконується робота , яка менша, ніж , і від нього забирається кількість теплоти , яка менша . Внутрішня енергія змінюється на величину . Робота стискування виконується за рахунок використання частини роботи, виконаної при розширенні робочого тіла, наприклад, за рахунок кінетичної енергії маховика, що почав обертатись при розширенні робочого тіла. За першим законом термодинаміки для процесу розширення , для процесу стискання: .

Якщо ці рівняння додати, то отримаємо .

Після закінчення циклу тіло повертається в свій початковий стан, внутрішня енергія тіла не змінюється. Тому робота циклу може виконуватись лише за рахунок зовнішніх джерел, що підводять до тіла теплоту.

Прямий цикл використовується в тепловому двигуні, в якому робоче тіло отримує енергію у формі теплоти від зов­нішніх джерел і частину її віддає у формі роботи. Тепловий двигун складається з трьох частин: нагрівник, робоче тіло, холодильник (рис. 82). Від термостата з вищою температурою , який називається нагрівником, за цикл відбирається кількість теплоти , а термостату з нижчою температурою , який називається холодильником, за цикл передається кількість теплоти і виконується робота .

Тепловий двигун характеризується коефіцієнтом корисної дії , який дорівнює відношенню роботи А, яка виконана тілом за цикл роботи, до кількості теплоти , що отримало тіло від нагрівника:

.

Температура газу при його стискуванні повинна бути нижча, ніж при розширенні. Тоді тиск газу у всіх проміжних станах при стиску буде менший, ніж при розширенні, і буде виконано умову , необхідну при виконанні двигуном корисної роботи.

Якщо здійснити цикл проти годинникової стрілки, то виконана робочим тілом робота буде та сама за абсолютною величиною, але від’ємна (рис. 83):

.

Такий процес називається зворотним.

Зворотний цикл використовується в холодильних машинах - періодично діючих ус­тановках, в яких за рахунок роботи зовнішніх сил теплота переноситься до тіла з вищою температурою (рис. 84).

Така машина забирає за цикл від тіла з температурою кількість теплоти і віддає тілу при температури кількість теплоти . Над машиною за цикл по­винна бути виконана робота А. Кількість відданої теплоти дорівнює сумі отриманої кількості теплоти і роботи, яку виконали зовнішні сили:

.

Отже, чистий результат циклу полягає в тому, що тіло з меншою температурою, від якого забирається певна кількість теплоти, охолоджується, а тіло з вищою температурою, якому віддається теплота, нагрівається.

Ефективність холодильної машини характеризується її холодильним коефіцієнтом, який дорівнює відношенню віднятої кількості теплоти до роботи, яка затрачається на приведення машини в роботу:

.

Робочим тілом в холодильній маши­ні слугують пари рідин, які легко киплять: аміак, фреон і ін. Енергія підводиться до машини від електричної мережі. За рахунок цієї енергії відбувається перехід теплоти від холодильної камери до більш нагрітого тіла – до навколишнього середовища.

Оборотним термодинамічним про­цесом називається така зміна стану системи, яка, будучи проведена у зворотному напрямку, повертає її в початковий стан так, щоб система пройшла через ті самі проміжні стани, що i у прямому процесі, але у зворотній послідовності, а стан тіл поза системою залишився незмінним.

Процеси, які не задовольняють цим вимогам оборотності, називаються необоротними.

Будь-який рівноважний процес є оборотним.

Оборотні процеси – це до деякої міри ідеалізація реальних процесів. Всі реальні процеси є необоротними.