Термодинамические циклы являются круговыми процессами, существующими в термодинамике (иначе говоря, это такие процессы, в которых наблюдаются совпадения начальных и конечных параметров, определяющих состояние рабочего тела (выражено объемом, давлением, энтропией и температурой)).
Рисунок 1. Идеальные термодинамические циклы поршневых двигателей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Понятие циклов в термодинамике
Термодинамические циклы представляют модели процессов, осуществляемых в тепловых машинах, с целью теплового превращения в механическую работу. В качестве компонентов такой машины выступят нагреватель, рабочее тело и холодильник (изменяющий состояние рабочего тела).
Обратимым будет считаться цикл, который возможно провести не просто в прямом, но и в обратном направлении в рамках замкнутой системы. В условиях прохождения подобного цикла суммарная энтропия системы остается неизменной. Исключение составляет цикл Карно (когда он является обратимым циклом для машины, передача тепла в которой будет выполнена исключительно между холодильником, рабочим телом и нагревателем).
Также в физике известно о существовании и других циклов:
- цикл Стирлинга;
- цикл Эрикссона.
В них обратимость будет достигнута посредством ввода дополнительных тепловых резервуаров (регенераторов). Общим для всех таких циклов с регенерацией выступит цикл Рейтлингера, где демонстрируется обладание максимальной эффективностью в отношении обратимых циклов.
Прямое преобразование в работу тепловой энергии запрещает постулат Томсона (на базе второго начала термодинамики). Это, в свою очередь, объясняет использование для данной цели термодинамических циклов.
Второй закон термодинамики
Рисунок 2. Цикл Карно и теоремы Карно. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Второй закон термодинамики нуждается в четком разграничении таких понятий, как:
- Обратимые процессы, имеющие возможность протекания и в прямом, и в обратном направлении с последовательным прохождением системы через состояния, аналогичные для прямого направления (в случае с обратным).
- Необратимые процессы после которых система и окружающая среда, взаимодействующая с ней, не способны осуществить возврат в исходное состояние. Такими процессами выступают все реальные неравновесные процессы.
Работа возможна для совершения при наличии разности давлений между окружающей средой и системой, аналогично и теплота может осуществлять переход исключительно при присутствии разности температур между телами. В подобных процессах невозможно пребывание системы в положении равновесия, таким образом, они становятся необратимыми.
Необратимость реальных явлений свидетельствует об однонаправленности каждого естественного процесса. В каждом необратимом процессе будет наблюдаться самопроизвольный переход в тепловую форму энергии любого вида, что провоцирует увеличение энтропии изолированной системы.
Энтропия любой изолированной (выполняющей работу системы) не уменьшается никогда, она склонна сохранять свое постоянство в рамках обратимых процессов и всегда повышается при необратимых процессах. Принцип необратимости (то есть, принцип возрастания энтропии), считается общей формулировкой второго закона термодинамики.
Тепловые двигатели и термодинамические циклы
Тепловым двигателем считается устройство, способное к превращению полученного количества теплоты в механическую работу, производимую в тепловых двигателях в рамках процесса расширения некоторого вещества, называемого рабочим телом.
В качестве рабочего тела, зачастую, выступают газообразные вещества, например, водяной пар, пары бензина, воздух. Оно склонно получать или отдавать тепловую энергию в условиях теплообмена с телами, обладающими большим запасом внутренней энергии. Такие тела считаются тепловыми резервуарами.
Исходя из первого закона термодинамики, полученное за счет газа количество теплоты начнет полностью превращаться в работу в условиях изотермического процесса, когда при этом сохраняет свою неизменность внутренняя энергия. Однако подобный «однократный акт» не представляет особого интереса для техники. Реально существующим тепловым двигателям (двигателям внутреннего сгорания, например) свойственна цикличность в работе.
Мы наблюдаем возможность периодических повторений процесса теплопередачи и преобразования полученного тепла в работу. С этой целью рабочее тело обязано совершать круговой процесс либо способствовать совершению термодинамического цикла, при котором наблюдается периодическое восстановление исходного состояния.
В качестве общего свойства для всех круговых процессов выступает невозможность их проведения за счет приведения рабочего тела в тепловой контакт исключительно с одним тепловым резервуаром. Их потребуется, по меньшей мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой будет называться нагревателем, а с более пониженной – холодильником.
Цикл Карно
Цикл Карно примечателен тем фактом, что абсолютно на каждом его участке наблюдается отсутствие соприкосновения тел с разными температурами. Квазиравновесным будет являться любое состояние рабочего тела (газа) на цикле. То есть, оно будет бесконечно близким к состоянию, где наблюдается тепловое равновесие с окружающими телами (термостатами или тепловыми резервуарами).
Цикл Карно исключает теплообмен в условиях конечной разности температур окружающей среды (термостатов) и рабочего тела, при которых тепло способно передаваться без совершения работы. Это делает цикл Карно максимально эффективным (из всех возможных) круговым процессом при изначально заданных температурах холодильника и нагревателя.
Любой участок такого цикла и весь он в комплексе может быть пройденным в обоих направлениях:
- обход цикла по часовой стрелке будет соответствовать тепловому двигателю (тепло, полученное рабочим телом, частично превратится в полезную работу);
- обход против часовой стрелки будет соответствовать холодильной машине (некоторое количество теплоты будет отбираться от холодного резервуара и передаваться горячему резервуару посредством совершения внешней работы).
Идеальное устройство, функционирующее по циклу Карно, называется обратимой тепловой машиной. В реальных холодильных машинах задействованы разнообразные циклические процессы. Устройство, функционирующее по холодильному циклу, может характеризоваться двояким предназначением. Если полезным эффектом оказывается отбор некоего количества тепла от охлаждаемых тел (к примеру, от продуктов в холодильной камере), такое устройство представляет собой обычный холодильник.
