Круговые процессы. К.П.Д. идеального и реального цикла Карно, их расхождение.

Всякий двигатель представляет собой систему, совершающую многократно некий круговой процесс (цикл). Круговой процесс – это процесс, при котором рабочее вещество, например газ, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние.

На диаграмме процессов цикл изображается замкнутой кривой. Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения 1-2 и сжатия 2-1. Работа A, совершаемая за цикл, равна площади цикла. Изменение внутренней энергии за цикл равно нулю, потому что рабочее вещество, совершив цикл, возвращается в исходное состояние. Поэтому первое начало термодинамики для кругового процесса

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

где Q₁ – количество теплоты, полученное системой; Q₂ – количество теплоты, отданное системой. Поэтому термический коэффициент полезного действия для кругового процесса

Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии.

КПД теплового двигателя — отношение совершённой полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле

,

где — количество теплоты, полученное от нагревателя, — количество теплоты, отданное холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы.

Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах горячего источника T ₁ и холодного T ₂, обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно; этот предельный КПД равен

Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

1. Изотермическое расширение. В начале процесса рабочее тело имеет температуру , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается.

2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

3. Изотермическое сжатие. Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты .

4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие. Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

В реальных двигателях не удается осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД цикла, осуществляемого в реальных двигателях, всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при одних и тех же температурах нагревателей и холодильников):