Тепловые циклы

Для непрерывного получения в тепловых машинах полезной работы необходимо иметь периодические стадии расширения рабочего тела. Это возможно только, если в процессе работы тепловой машины рабочее тело сжимается и возвращается в первоначальное состояние.

Замкнутый процесс, в котором в конечном итоге рабочее тело

Цикл 1 – 2 – 3 – 4 – 1, в котором работа расширения больше работы сжатия, называется прямым цикломили циклом тепловой машины.

Цикл, осуществляемый в обратном направлении 1 – 4 – 3 – 2 – 1, называется обратным циклом или циклом холодильной установки.

Рис. 13. Тепловой цикл в p – V диаграмме

В прямом цикле тепло q₁ подводится в процессе расширения газа 1 – 2 – 3. При этом газ совершает работу, численно равную площади фигуры

6-1-2-3-5-6.

В процессе сжатия газа 3 – 4 – 1 затрачивается работа l_сж, численно равная площади фигуры 5-3-4-1-6-5. Часть подведенного тепла q₂ отводится в холодильник, а рабочее тело возвращается в исходное состояние. В результате возникает полезная работа l_ц = l_расш. – l_сж.

Соотношение между количеством тепла, использованного в цикле, и работой цикла определяется первым законом термодинамики:

q_ц= q₁ – q₂= ∆u_ц + l_ц.

Так как в цикле конечное состояние совпадает с начальным, то ∆u_ц = 0, поэтому

q_ц = q₁ – q₂ = l_ц или q₁ = l_ц + q₂, то есть подводимая к рабочему телу в цикле тепловая энергия q₁ частично превращается в полезную механическую работу, а другая ее часть отводится от рабочего тела.

Отношение количества теплоты, превращенной в работу, ко всей теплоте, подведенной от горячего источника, называется термическим КПД цикла:

(73)

КПД цикла является показателем совершенства цикла тепловой машины.

Цикл Карно. Сади Карно доказал, что теоретически наиболее совершенным является тепловой цикл, составленный из 2-х изотерм и 2-х адиабат. Такой цикл получил название цикла Карно.

Цикл Карно для тепловой машины называется прямым циклом Карно, а цикл для холодильной машины – обратный цикл Карно. КПД прямого цикла Карно:

(74)

Рис. 14. Прямой цикл Карно

Для осуществления обратного цикла Карно требуется затратить работу.

Эта работа превращается в тепло и передается вместе с теплотой q₁ во внешнюю среду при изотермическом сжатии 3 – 2.

В соответствии с первым законом термодинамики

q₁ = l_ц + q₂

Таким образом, отвод тепла от холодных предметов и передача его теплому воздуху снаружи холодильной машины обязательно требует затрат механической работы.

Эффективность холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом: определенное количество механической работы, равное площади диаграммы в координатах p – V.