Элитная физика / Молекулярная физика_лекции3

Круговые процессы (циклы)

Если тело из состояния 1 переводится в состояние 2, а затем через другие промежуточные состояния возвращается в состояние 1, то совершается круговой процесс или цикл.

На диаграмме процессов цикл изображается замкнутой кривой.

Круговые процессы лежат в основе всех тепловых установок: двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, тепловых и холодильных машин и т.п. Поэтому изучение свойств различных круговых процессов является одной из важнейших задач физики. Мы ограничимся установлением лишь некоторых общих закономерностей таких процессов. Рассмотрим произвольный круговой процесс 1а2в совершаемый идеальным газом ( рис 15 ).

Его можно разбить на два процесса – расширение из состояния 1 в состояние 2 (1а2) и сжатие из состояния 2 в состояние 1 (2в1). При расширении газ совершает положительную работу А₁, которая измеряется площадью V₁1а2V₂. Работа газа при сжатии А₂ отрицательна и определяется площадью V₁1в2V₂. Из чертежа видно, что А₁  А₂. Поэтому в целом за цикл газ совершает положительную работу А = А₁ – А₂.

Эта работа измеряется площадью замкнутой кривой 1а2в.

Различают прямой цикл, или цикл тепловой машины (рис 15 а), и обратный цикл, или цикл холодильной машины (рис. 15 б). При прямом цикле рабочее вещество получает от нагревателя теплоту Q₁ и расширяясь совершает положительную работу А₁. Согласно первому началу термодинамики

Q₁=U₂-U₁ + A₁ (2.3)

При сжатии над рабочим веществом совершается работа ( газ совершает работу А₂) и при этом оно отдает холодильнику количество теплоты Q₂. По первому началу термодинамики

- Q₂ = U₁- U₂ –A₂ (2. 3)

Из уравнений (2.40) и (2.41), получим

Q₁– Q₂ = A₁ – A₂. (2. 3)

Таким образом, тепловая машина совершила прямой круговой цикл, в результате которого нагреватель отдал теплоту , холодильник получил теплоту,.

Т.к. А₁- А₂  0, то – 0 и  . Теплотапошла на выполнение работы А =A₁ – A₂. В тепловой машине не вся получаемая извне теплота используется для совершения полезной работы. Поэтому тепловая машина характеризуется коэффициентом полезного действия. К.п.д.() - это отношение совершаемой за цикл работы А к получаемой за цикл теплоте :

 = или (2. 3)

При обратном цикле расширение производится при более низком давлении, чем сжатие. Работа газа при расширении А₁ меньше, чем работа сжатия газа А₂. Т.к. А₁  А₂, тоА = А₁- А₂  0 и . Т.е. газ отдает больше теплоты, чем получает при расширении. Машины, работающие по обратному циклу, носят название холодильных. Процесс переноса теплоты от холодного тела к более горячему происходит за счет работы внешних сил (А₂ – А₁).

Содержание