Термодинамические процессы, циклы

Под термодинамическим процессом понимают всякое изменение состояния термодинамической системы, при котором изменяются ее параметры (см. выше). Параметры бывают экстенсивнымииинтенсивными. Первые зависят от количества вещества системы (например, объемV), вторые не зависят от него (давление Р, температура Т).

Процессы разделяют на обратимыеинеобратимые(см. ниже).

Круговые процессы. Второе начало термодинамики.

Круговым процессом, или циклом, называется такой процесс, когда система, пройдя через ряд промежуточных состояний, возвращается в исходное состояние. Графически круговой процесс изображен на рис. 6.8 замкнутой кривой и состоит из участка расширения (1а2) и сжатия (2b1).

Рис.6.8

Для расширения газу от тела с температурой Т₁, называемогонагревателем, сообщается количество теплотыQ₁. В процессе сжатия газ отдает количество теплотыQ₂телу с температурой Т₂< Т₁, называемомухолодильником.

Если цикл идет по часовой стрелке, то он называется прямым. Положительная работа расширения А, совершаемая газом и численно равная площади фигуры (V₁1a2V₂), больше отрицательной работы сжатия А₂, совершаемой над газом и выражаемой площадью фигуры (V₂2b1V₁). Следовательно, работа А, совершенная за цикл и численно равная площади фигуры(1а2b1), будет положительна:

А = А₁– А₂> 0

Прямой цикл используется в тепловых машинах– периодически действующих устройствах, превращающих тепло, полученное от нагревателя, в работу А.

Так как в результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние, то изменение внутренней энергии, как функции состояния, ΔU= 0.

Следовательно, согласно первого закона термодинамики (6.21) для кругового процесса

Q=A

Учитывая, что Q=Q₁–Q₂, имеем:

А = Q₁–Q₂

Определим термический коэффициент полезного действияцикла, как отношение работы А к полученной системой теплоте:

(6.46)

Может ли КПД теплового двигателя быть равен 100 %?

Это будет (согласно 6.46) только, если Q₂= 0. Как показал С. Карно, такое невозможно: для работы теплового двигателя необходимо часть тепла, полученного от нагревателя, отдать холодильнику. Это утверждение о невозможности создания теплового двигателя, работающего с одним только источником теплоты (вечный двигатель второго рода) составляет содержаниевторого закона термодинамики: невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты, полученной от нагревателя, в работу.

Цикл (рис.6.8) может идти и против часовой стрелки. Тогда его работа будет отрицательна. Такой цикл называется обратным и используется в холодильных машинахдля переноса (за счет работы внешних сил) теплоты от тела с более высокой температурой к телу с температурой более низкой. Процесс перехода системы из состояния 1 в состояние 2 называетсяобратимым, если после возвращения системы в исходное состояние ни в системе, ни в окружающей среде никаких изменений не происходит. Любой процесс, не удовлетворяющий этим условиям, называетсянеобратимым.

Все реальные процессы необратимы. Примером необратимости является процесс теплообмена, при котором теплота самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному, однако обратного самопроизвольного процесса произойти не может.

Таким образом, обратимые процессы – понятие идеализированное. Однако их изучение важно, поскольку многие реальные процессы в природе и технике близки к обратимым, и именно они являются наиболее экономичными.