Термодинамические циклы |
---|
Статья является частью серии «Термодинамика». |
Цикл Аткинсона |
Цикл Брайтона/Джоуля |
Цикл Гирна |
Цикл Дизеля |
Цикл Калины |
Цикл Карно |
Цикл Ленуара |
Цикл Миллера |
Цикл Отто |
Цикл Ренкина |
Цикл Стирлинга |
Цикл Тринклера |
Цикл Эрикссона |
Разделы термодинамики |
Начала термодинамики |
Уравнение состояния |
Термодинамические величины |
Термодинамические потенциалы |
Термодинамические циклы |
Фазовые переходы |
править |
Термодинами́ческие ци́клы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия) совпадают.
Термодинамические циклы используются в тепловых машинах для превращения тепловой энергии (то есть, внутренней энергии) в механическую работу, а также для охлаждения (при использовании обратного цикла).
Тепловая машина состоит из рабочего тела, которое и проходит цикл, нагревателя и холодильника (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).
Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, состоящей только из рабочего тела, нагревателя и холодильника, является Цикл Карно. Существуют также циклы Стирлинга и Эрикссона, в которых обратимость достигается путём введения дополнительного прибора — регенератора. Можно показать (см. статью Цикл Карно), что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью.
Основные принципы[]
Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона (см. Второе начало термодинамики). Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы.
Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты () у нагревателя и отдает количество теплоты холодильнику. Работа, совершенная тепловой машиной в цикле, равна, таким образом,
- ,
так как изменение внутренней энергии в круговом процессе равно нулю (это функция состояния).
Напомним, что работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.
При этом нагреватель потратил энергию . Поэтому коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной энергии) равен
- .
Вычисление работы и КПД в термодинамическом цикле[]
Работа в термодинамическом цикле, по определению, равна
- ,
где — контур цикла.
C другой стороны, в соответствии с первым началом термодинамики, можно записать
- .
Аналогичным образом, количество теплоты, переданное нагревателем рабочему телу, равно
- .
Отсюда видно, что наиболее удобными параметрами для описания состояния рабочего тела в термодинамическом цикле служат температура и энтропия.
Цикл Карно и максимальный КПД тепловой машины[]
Основная статья: Цикл Карно.
Цикл Карно в координатах T и S
Представим себе следующий цикл:
Фаза А→Б. Рабочее тело с температурой, равной температуре нагревателя, приводится в контакт с нагревателем. Нагреватель сообщает рабочему телу тепла в изотермическом процессе (при постоянной температуре), при этом объём рабочего тела увеличивается.
Фаза Б→В. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться адиабатически (без теплообмена с окружающей средой). При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
Фаза В→Г. Рабочее тело приводится в контакт с холодильником и передает ему тепла в изотермическом процессе. При этом объём рабочего тела уменьшается.
Фаза Г→А. Рабочее тело адиабатически сжимается до исходного размера, и его температура увеличивается до температуры нагревателя.
Его КПД равен, таким образом,
- ,
то есть, зависит только от температур холодильника и нагревателя. Видно, что 100%-ный КПД можно получить только в том случае, если температура холодильника есть абсолютный нуль, что недостижимо.
Можно показать, что КПД тепловой машины Карно максимален в том смысле, что никакая тепловая машина с теми же температурами нагревателя и холодильника не может обладать бо́льшим КПД.
Заметим, что мощность тепловой машины Карно равна нулю, так как передача тепла в отсутствии разности температур идет бесконечно медленно.
См. также[]
- Тепловая машина
- Рабочее тело
- Цикл Карно
Литература[]
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 519 с. (см. ISBN )
- Страница 0 - краткая статья
- Страница 1 - энциклопедическая статья
- Разное - на страницах: 2 , 3 , 4 , 5
- Прошу вносить вашу информацию в «Термодинамические циклы 1», чтобы сохранить ее