Круговой процесс

Круговой процесс
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 Хамфри
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.

Идеализированные термодинамические циклы являются приближениями процессов, происходящих в реальных 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 замкнутой 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.

Содержание

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 (Q1) у нагревателя и отдаёт количество теплоты Q2 холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом,

\,\!A = (Q_1 - Q_2) - \Delta U = Q_1 - Q_2,

так как изменение внутренней энергии U 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 Q1. Поэтому тепловой, или, как его еще называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен

\,\!\eta =\frac {A} {Q_1}=\frac{Q_1 - Q_2}{Q_1}.

Вычисление работы и КПД в термодинамическом цикле

Работа в термодинамическом цикле, по определению, равна

\,\!A = \oint_{C} P dV,

где C — контур цикла.

C другой стороны, в соответствии с первым началом термодинамики, можно записать

\,\!A = \oint_{C} \delta Q - dU = \oint_{C} \delta Q = \oint_{C} T dS.

Аналогичным образом, количество теплоты, переданное нагревателем рабочему телу, равно

\,\!Q_1 = \int_{A \rightarrow B} \delta Q = \int_{A \rightarrow B} T dS.

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 \,\!Q_1=T_H(S_2-S_1) 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 \,\!Q_2=T_X(S_2-S_1) 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,

\,\!\eta = \frac{Q_1-Q_2}{Q_1} = \frac{T_H(S_2-S_1)-T_X(S_2-S_1)}{T_H(S_2-S_1)} = \frac{T_H-T_X}{T_H},

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 отсутствие разности температур идёт бесконечно медленно.

См. также

Ссылки

Литература

  • Базаров И. П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991, 376 с.
  • Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-ое испр. М.: Едиториал УРСС, 2003. 120 с.
  • Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. Т.1: Теория равновесных систем: Термодинамика. Том.1. Изд. 2, испр. и доп. М.: УРСС, 2002. 240 с.
  • Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 519 с.
  • Александров А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. Издательство МЭИ, 2004.

Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Поможем написать реферат

Полезное


Смотреть что такое "Круговой процесс" в других словарях:

  • КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС — (цикл), термодинамич. процесс, при к ром система, претерпев ряд изменений, возвращается в исходное состояние. Термодинамич. параметры и характеристические функции состояния системы (внутренняя энергия U, энтальпия, изохорный и изобарный… …   Физическая энциклопедия

  • КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС — (цикл термодинамический) термодинамич. процесс, при к ром все термодинамич. параметры (и термодинамич. ф ции) возвращаются к своим нач. значениям. Если термодинамич. состояние определяется двумя параметрами (напр., давлением Р и объёмом V), К. п …   Физическая энциклопедия

  • КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС — КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС, то же, что цикл термодинамический …   Современная энциклопедия

  • КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС — совокупность термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело (напр., пар в тепловой машине), пройдя через ряд промежуточных состояний, возвращается в исходное состояние …   Большой Энциклопедический словарь

  • Круговой процесс — КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС, то же, что цикл термодинамический.   …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • круговой процесс — uždarasis vyksmas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės sistemos būsenos kitimas, kuriam pasibaigus sistema grįžta į pradinę būseną. atitikmenys: angl. cyclic process vok. Kreislauf, m; Kreisprozess, m rus.… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • круговой процесс — uždarasis procesas statusas T sritis chemija apibrėžtis Termodinaminės sistemos būsenos kitimas, kuriam pasibaigus sistema grįžta į pradinę būseną. atitikmenys: angl. cyclic process rus. замкнутый процесс; круговой процесс ryšiai: sinonimas –… …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • круговой процесс — ciklinis vyksmas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. cyclic process vok. Kreislauf, m; Kreisprozeß, m; zyklischer Prozeß, m rus. круговой процесс, m; циклический процесс, m pranc. processus cyclique, m …   Fizikos terminų žodynas

  • круговой процесс — совокупность термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело (например, пар в тепловой машине), пройдя через ряд промежуточных состояний, возвращается в исходное состояние. * * * КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС, совокупность… …   Энциклопедический словарь

  • круговой процесс — ciklas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Reiškinių, procesų, sudarančių užbaigtą raidos ratą, visuma. atitikmenys: angl. cycle vok. Kreislauf, m rus. круговой процесс, m; цикл, m pranc. cycle, m …   Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

  • круговой процесс Карно — uždarasis Karno vyksmas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Carnot cyclic process vok. Carnotscher Kreisprozeß, m rus. круговой процесс Карно, m pranc. processus cyclique de Carnot, m …   Fizikos terminų žodynas


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»