6. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы.

Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное. На диаграмме процессов цикл изоб­ражается замкнутой кривой(рис.1). Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения (1—2) и сжатия (2—1) газа. Работа расширения (определяется площадью фигуры 1a2V2V11) положительна (dV>0), работа сжатия (определяется площадью фигуры 2b1V1V22) отрицательна (dV<0). Следовательно, работа, совершаемая газом за цикл, определяется площадью, охватываемой замкнутой кривой. Если за цикл совершается положительная работа A = ∫pdV>Q (цикл протекает по часовой стрелке), то он называется прямым (рис. 84, а), если за цикл совершается отрицательная работа A = ypdV<0 (цикл протекает против часовой стрелки), то он называется обратным(рис.2).

Прямой цикл используется в тепловых двигателях — периодически действующих двигателях, совершающих работу за счет полученной извне теплоты. Обратный цикл используется в холодильных машинах — периодически действующих установках, в ко­торых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой.

В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, следовательно, полное изменение внутренней энергии газа равно нулю. Поэтому первое начало термодинамики для кругового процесса Q=∆U+A=A,

т. е. работа, совершаемая за цикл, равна количеству полученной извне теплоты. Однако в результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать, поэтому Q=Q1 – Q2,

где Q1 — количество теплоты, полученное системой, Q2 — количество теплоты, отданное системой. Поэтому терм-ий коэф.полез.дей-ия для кругового процесса: =A/Q1=Q1-Q2/Q1=1 – Q2/Q1; Термодин-ий процесс назыв. Обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем, если процесс происх.в прямом, а затем в обратном напр-ии и сист.возвр-ся в исх-ое состояние, то в окр-ей среде не происходит изменений. Всякий процесс не удовл-ий таким усл-ям, явл. Необратимым. Любой равновесный процесс – обратимый. Т.к. любое промежуточное состояние – есть состояние теродин.равновесия (безразницы, прямое или обратное напр-ие). Обратимые пр-сы – идеализация реальных процессо

7. Круговой процесс. Цикл Карно (прямой). Схема работы тепловой машины.

Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное. Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему, носящую теперь его имя: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих оди­наковые температуры нагревателей (Т1) и холодильников (Т2), наибольшим к. п. д.

обладают обратимые машины; при этом к. п. д. обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей (Т1) и холодильников (Т2), равны друг другу и не зависят от природы тела (тела, совершающего круговой процесс и об­менивающегося энергией с другими телами), а определяются только температурами нагревателя и холодильника.

Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Его называют циклом Карно. Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

Цикл Карно изображен на рис., где изотермические расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 1—2 и 3—4, а адиабатические расширение и сжатие — кривы­ми 2—3 и 4—1. При изотермическом процессе U= const, поэтому, количество теплоты Q1, полученное газом от нагревателя, равно работе расширения A12, совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2:

При адиабатическом расширении 2—3 теплообмен с окружающей средой отсутствует и работа расширения А23 совершается за счет изменения внутренней энергии и

Количество теплоты Q2, отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии, равно работе сжатия А34 :

Работа адиабатического сжатия:

Работа, совершаемая в результате кругового процесса, А=А12+А23+А34+А41=Q1+A23 – Q2 – A23=Q1 – Q2;

и, как можно показать, определяется площадью, заштрихованной на рис. Термический к. п. д. цикла Карно: =A/Q1=(Q1 – Q2)/Q1;

Применив уравнение для адиабат 2-3 и 4-1 получим

Откуда V2/V1=V3/V4.

Подставляя получаем =(Q1 – Q2)/Q1=…=(T1 – T2)/T1;

т. е. для цикла Карно к. п. д. действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. К. п. д. всякого реального теплового двигателя из-за трения и неизбежных тепловых потерь гораздо меньше вычисленного для цикла Карно.