Круговий процес. Оборотні й необоротні процеси

У термодинаміці важливе значення мають такі процеси, коли термодинамічна система після проходження ряду станів повертається до початкового стану (P₁, V₁, T₁)Û(P₂, V₂, T₂). Такі процеси називаються коловими процесами або циклами.

На діаграмі (рис. 2.19) зображений цикл, у якому спочатку на ділянці (1)®(а)®(2) газу надається кількість теплоти Q₁₂ = Q₁, газ розширюється і виконує додатну роботу А₁₂. Потім зовнішні сили стискають газ на ділянці (2)®(b)®(1), виконуючи роботу , і від газу забирається кількість теплоти Q₂₁ = –Q₂. Робота газу на цій ділянці від’ємна , причому .

Такий цикл, який виконується за годинниковою стрілкою, називається прямим циклом. Сумарна робота газу в даному циклі додатна А₁₂₁ = А₁₂ + А₂₁ > 0 й дорівнює площі заштрихованої фігури. Прямий цикл використовується у теплових двигунах.

Якщо здійснити цикл проти годинникової стрілки, то робота буде та сама за абсолютною величиною, але від’ємна (рис. 2.20), оскільки робота розширення газу на ділянці (1)®(b)®(2) менша, ніж робота зовнішніх сил стискання газу на ділянці (2)®(а)®(1). Такий процес називається зворотним циклом. Зворотний цикл використовується у холодильних машинах.

Застосуємо перший закон термодинаміки до прямого циклу, що використовується у теплових двигунах: Q₁₂₁ = DU₁₂₁ + A₁₂₁, або Q₁₂₁ = A₁₂₁,

оскільки DU₁₂₁ = DU (1®2®1) = 0 і робота, що виконується за один цикл, дорівнює сумарній підведеній теплоті. Цю теплоту можна знайти як:

Q₁₂₁ = Q₁₂ + Q₂₁ = Q₁ – Q₂,

де Q₁ – кількість теплоти, що надається газу при його розширенні;

Q₂ – кількість теплоти, що віддається газом при його стисканні.

Звідси, корисна робота циклу A = A₁₂₁ = Q₁ – Q₂, і термічний коефіцієнт корисної дії (ККД) для прямого циклу, що визначається відношенням корисної роботи, виконаної газом, до енергії у формі теплоти, яку він отримав від зовнішніх джерел, дорівнює:

Важливим поняттям у термодинаміці є поняття оборотного термодинамічного процесу. Термодинамічний процес називається оборотним, якщо він може проходити як у прямому напрямку, так й у зворотному через ті самі проміжні стани, без змін в навколишньому середовищі. Необоротним називається процес, коли зворотний перехід через ті самі проміжні стани неможливий.

Оборотні процеси – це ідеалізація реальних процесів. Усі реальні процеси є необоротними.