Тэрмадынамічныя цыклы

Тэрмадынамічныя цыклы — кругавыя працэсы ў тэрмадынаміцы, гэта значыць такія працэсы, у якіх пачатковыя і канчатковыя параметры, якія вызначаюць стан працоўнага цела (ціск, аб’ём, тэмпература, энтрапія), супадаюць.

Тэрмадынамічныя цыклы з’яўляюцца мадэлямі працэсаў, якія адбываюцца ў рэальных цеплавых машынах для ператварэння цяпла ў механічную работу.

Кампанентамі любой цеплавой машыны з’яўляюцца рабочае цела, награвальнік і халадзільнік (з дапамогай якіх змяняецца стан працоўнага цела).

Зварачальным называюць цыкл, які можна правесці як у прамым, так і ў зваротным напрамку ў замкнёнай сістэме. Сумарная энтрапія сістэмы пры праходжанні такога цыклу не мяняецца. Адзіным зварачальным цыклам для машыны, у якой перадача цяпла ажыццяўляецца толькі паміж рабочым целам, награвальнікам і халадзільнікам, з’яўляецца Цыкл Карно. Існуюць таксама іншыя цыклы (напрыклад, цыкл Стырлінга і цыкл Эрыксана), у якіх зварачальнасць дасягаецца шляхам увядзення дадатковага цеплавога рэзервуара — рэгенератара. Агульным (г. зн. адзначаныя цыклы прыватны выпадак) для ўсіх гэтых цыклаў з рэгенерацыяй з’яўляецца цыкл Рейтлінгера. Можна паказаць (гл. артыкул Цыкл Карно), што зварачальныя цыклы валодаюць найбольшай эфектыўнасцю.

 Асноўныя прынцыпы 
Прамое пераўтварэнне цеплавой энергіі ў работу забараняецца пастулатам Томсана (гл. Другі пачатак тэрмадынамікі). Таму для гэтай мэты выкарыстоўваюцца тэрмадынамічныя цыклы.

Для таго, каб кіраваць станам працоўнага цела, у цеплавую машыну ўваходзяць награвальнік і халадзільнік. У кожным цыкле рабочае цела забірае некаторы колькасць цеплыні () у награвальніка і аддае колькасць цеплыні  халадзільніка. Работа, здзейсненая цеплавой машынай у цыкле, роўная, такім чынам,

 ,

так як змяненне ўнутранай энергіі  у кругавым працэсе роўнае нулю (гэта функцыя стану).

Нагадаем, што работа не з'яўляецца функцыяй стану, інакш сумарная работа за цыкл таксама была б роўная нулю.

Пры гэтым награвальнік патраціў энергію . Таму цеплавы, або, як яго яшчэ называюць, тэрмічны або тэрмадынамічны каэфіцыент карыснага дзеяння цеплавой машыны (стаўленне карыснай працы да выдаткаванай цеплавой энергіі) роўны

 .

 Вылічэнне работы і ККД у тэрмадынамічнаму цыкле 
Работа ў тэрмадынамічнаму цыкле, па азначэнні, роўная

 ,

дзе  — контур цыкла.

C іншага боку, у адпаведнасці з першым пачаткам тэрмадынамікі, можна запісаць

 .

Аналагічным чынам, колькасць цеплыні, якая перададзена награвальнікам працоўнага цела, роўная

 .

Адсюль відаць, што найбольш зручнымі параметрамі для апісання стану працоўнага цела ў тэрмадынамічнай цыкле служаць тэмпература і энтрапія.

 Цыкл Карно і максімальны ККД цеплавой машыны 
Асноўны артыкул: Цыкл Карно


Уявім сабе наступны цыкл:

Фаза А → Б. Рабочае цела з тэмпературай, роўнай тэмпературы награвальніка, прыводзіцца ў кантакт з награвальнікам. Награвальнік паведамляе працоўнаму целу  цяпла ў ізатэрмічнам працэсе (пры пастаяннай тэмпературы), пры гэтым аб'ём рабочага цела павялічваецца.

Фаза Б → В. Рабочае цела адлучаецца ад награвальніка і працягвае пашырацца адзіабатычна (без цеплаабмену з навакольным асяроддзем). Пры гэтым яго тэмпература памяншаецца да тэмпературы халадзільніка.

Фаза В → Г. Рабочае цела прыводзіцца ў кантакт з халадзільнікам і перадае яму  цяпла ў ізатэрмічнам працэсе. Пры гэтым аб'ём рабочага цела памяншаецца.

Фаза Г → А. Рабочае цела адзіабатычна сціскаецца да зыходнага памеру, і яго тэмпература павялічваецца да тэмпературы награвальніка.

Яго ККД роўны, такім чынам,

 ,

гэта значыць, залежыць толькі ад тэмператур халадзільніка і награвальніка. Відаць, што 100%-ный ККД можна атрымаць толькі ў тым выпадку, калі тэмпература халадзільніка ёсць абсалютны нуль, што недасягальна.

Можна паказаць, што ККД цеплавой машыны Карно максімальны ў тым сэнсе, што ніякая цеплавая машына з тымі ж тэмпературамі награвальніка і халадзільніка не можа валодаць большым ККД.

Заўважым, што магутнасць цеплавой машыны Карно роўная нулю, так як перадача цяпла ў адсутнасць рознасці тэмператур ідзе бясконца павольна.

 Гл. таксама 
 Цыкл Карно
 Цеплавая машына
 Рабочае цела
 Бінарныя цыклы

 Літаратура 
 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.
 Дыскин Л.М., Пузиков Н.Т. Расчет термодинамических циклов.
 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.
 Александров А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. Издательство МЭИ, 2004.

 Спасылкі 
 Інтэрактыўны сеткавы разлік і графічная ілюстрацыя асноўных тэрмадынамічных цыклаў 
 Праграма Разлік тэрмадынамічных цыклаў 

Катэгорыя:Тэрмадынаміка