Обратные циклы в термодинамике

Термодинами́ческие ци́клы – круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура и энтропия).

Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу.

Компонентами любой тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).

Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно. Существуют также другие циклы (например, цикл Стирлинга и цикл Эрикссона (англ.)), в которых обратимость достигается путём введения дополнительного теплового резервуара – регенератора. Общим (т.е. указанные циклы частный случай) для всех этих циклов с регенерацией является Цикл Рейтлингера. Можно показать (см. статью Цикл Карно), что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью.

Основные принципы[править | править код]

Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона (см. Второе начало термодинамики). Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы.

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты () у нагревателя и отдаёт количество теплоты холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом,

,

так как изменение внутренней энергии в круговом процессе равно нулю (это функция состояния).

Напомним, что работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.

При этом нагреватель потратил энергию . Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен

.

Вычисление работы и КПД в термодинамическом цикле[править | править код]

Работа в термодинамическом цикле, по определению, равна

,

где – контур цикла.

C другой стороны, в соответствии с первым началом термодинамики, можно записать

.

Аналогичным образом, количество теплоты, переданное нагревателем рабочему телу, равно

.

Отсюда видно, что наиболее удобными параметрами для описания состояния рабочего тела в термодинамическом цикле служат температура и энтропия.

Цикл Карно и максимальный КПД тепловой машины[править | править код]

Основная статья: Цикл Карно.

Цикл Карно в координатах T и S

Представим себе следующий цикл:

Фаза А→Б. Рабочее тело с температурой, равной температуре нагревателя, приводится в контакт с нагревателем. Нагреватель сообщает рабочему телу тепла в изотермическом процессе (при постоянной температуре), при этом объём рабочего тела увеличивается.

Фаза Б→В. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться адиабатически (без теплообмена с окружающей средой). При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Фаза В→Г. Рабочее тело приводится в контакт с холодильником и передает ему тепла в изотермическом процессе. При этом объём рабочего тела уменьшается.

Фаза Г→А. Рабочее тело адиабатически сжимается до исходного размера, и его температура увеличивается до температуры нагревателя.

Его КПД равен, таким образом,

,

то есть, зависит только от температур холодильника и нагревателя. Видно, что 100%-ный КПД можно получить только в том случае, если температура холодильника есть абсолютный нуль, что недостижимо.

Можно показать, что КПД тепловой машины Карно максимален в том смысле, что никакая тепловая машина с теми же температурами нагревателя и холодильника не может обладать бо́льшим КПД.

Заметим, что мощность тепловой машины Карно равна нулю, так как передача тепла в отсутствие разности температур идёт бесконечно медленно.

См. также[править | править код]

• Тепловая машина
• Рабочее тело
• Цикл Карно
• Бинарные циклы

Ссылки[править | править код]

• Интерактивный сетевой расчет и графическая иллюстрация основных термодинамических циклов
• Программа Расчет термодинамических циклов

Литература[править | править код]

• Базаров И. П. Термодинамика. (недоступная ссылка) 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.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. – М.: Наука, 1975. – Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. – 519 с.
• Александров А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. Издательство МЭИ, 2004.

Источник

Содержание:

• Прямые и обратные циклы.

Прямые и обратные циклы.

• Ряд термодинамических процессов замкнут, их называют циклическими термодинамическими процессами или cycles. In в политропном процессе, который рассматривался ранее, решается задача получения работы в результате подвода тепла, изменения внутренней энергии рабочего тела или того и другого. Если вы накачаете газ в баллоне 1 раз, то получите лишь ограниченное количество работы.

Потому что в процессе расширения наступает момент, когда температура и давление рабочей жидкости будут равны температуре и давлению окружающей среды, а прием работы будет stop. To возобновив работу, необходимо выполнить процесс сжатия и вернуть рабочую жидкость в исходное состояние. Поэтому для непрерывного производства работ рабочая жидкость должна участвовать в циркулирующем термодинамическом процессе (Рис. 2).

Во всех циклах условия ясны. Людмила Фирмаль

Цикл обратимый и состоит из обратимых процессов и необратим. Анализ эффективности современных тепловых двигателей основан на реверсивных циклах. Идеальные циклы, не учитывающие потери на трение, делятся на прямые и обратные циклы. Прямой цикл-это цикл, в котором тепло преобразуется в работу, а обратный цикл-это цикл, в котором тепло передается от более холодного тела к более теплому.

Когда вы рисуете цикл на термодинамической диаграмме, последовательный обход процесса в прямом цикле происходит по часовой стрелке (см. Рисунок 2) и против часовой стрелки в обратном цикле. Потому что цикл начинается и заканчивается в 1 точке. Тогда первый закон термодинамики цикла описывается следующим образом: Где Qc-теплота, участвующая в цикле, равная алгебраической сумме количества теплоты в каждом процессе. Lc-это работа цикла (циклическая работа), каждая из которых равна алгебраической сумме работы каждого процесса.

• Прямой цикл. В этом цикле, тепло преобразуется в механическую работу(Рис. 3). В процессе 1a2 тепловая энергия Q1 подается в рабочую жидкость из горячего источника при температуре T1 для выполнения агрессивного воздействия work. In процесс 2b1, тепло Q2 отводится от рабочего тела к холодному источнику тепла при температуре T2, и выполняется отрицательная работа. Объем работы в процессе расширения L1a2 больше, чем работа сжатия L2b1, а работа циркуляции положительна и равна следующей. На рисунке работа цикла обозначена площадью квадрата 1-а-2-Б-1 на рисунке.

Согласно первому закону термодинамики цикла： Для оценки эффективности преобразования тепла в работу в прямом цикле используют коэффициент теплопроизводительности (КС), под которым понимается отношение работы, полученной в цикле, к отработанному теплу.

Прямой цикл-это цикл двигателя. Людмила Фирмаль

Таким образом, тепловой КПД показывает, какая часть тепла, подаваемого в цикл от нагревателя, превращается в полезную работу. Согласно 2-му закону термодинамики, это значение всегда меньше 1 (<100%). Обратный цикл. Обратный цикл использован для произведения холодного воздуха или heat. In оно, рабочая жидкость возвращает жару от холодного источника к жаре source.

To проводите такой непроизвольный процесс, работа цикла тратится. Обратный цикл реализуется в холодильник и тепловой насос(Рис. 4). Во время расширения 1a2 температура рабочей жидкости ниже, чем T2, и в результате количество тепла Q2 передается от холодного источника тепла к рабочей жидкости. Во время сжатия 2v1 температура рабочей жидкости выше T1, и количество тепла Q1 передается от рабочей жидкости к источнику тепла. Поскольку процесс сжатия требует больше работы, а она отрицательна, работа цикла выглядит следующим образом: Форма первого закона термодинамики выглядит следующим образом: Для оценки работы холодильника используется так называемый холодильный коэффициент.

Это определяется чистым количеством тепла Q2, взятого от холодного источника тепла ограниченной мощности и соотношением затраченной работы. В охладителе, жара Q1 выпущена в окружающую среду. Это источник неограниченной мощности. Машина, основным продуктом которой является тепло Q1 и которая направляется к источнику тепла с ограниченной мощностью, называется тепловым насосом.

Эффективность в этом случае оценивается коэффициентом нагрева, который представляет собой отношение теплоты Q1, передаваемой потребителю, к потребляемой работе. В цикле теплового насоса тепло Q2 берется из источника, не имеющего ограничений по мощности (например, из атмосферы).Значения коэффициента охлаждения и коэффициента нагрева существенно отличаются от 0? е, м <? Цикл. Цикл. Работа выполняется за счет тепла, и называется Прямой цикл. Есть линия расширения газа На рисунке pV находится над линией сжатия.

Прямой тепловой цикл используется для всех тепловых двигателей (паровых* Высокий, двигатель внутреннего сгорания, etc.). Обратный цикл называется циклом включения Приборы, потребляющие машинную энергию В них линия расширения находится под линией сжатия. Обратный цикл используется для создания холодильников нью-йоркская машина. Рис.16.Расписание циклов Изобарическая (AB Изоколик (до н. э.), изобарик Изобарик (CD) и изобарик Изококковый (DA) процесс. Шестьдесят семь Это показано на рисунке. Перекрестные 14,15 и 16 циклов Он находится прямо в направлении стрелки.

Смотрите также:

Решение задач по термодинамике

Источник

Холодильный цикл – обратный круговой процесс, предназначенный для передачи теплоты от тел менее нагретых к телам более нагретым при помощи холодильных установок или тепловых насосов. Для охлаждения можно применять воздушную или паровую компрессорные холодильные установки.

14.1 Цикл воздушной холодильной установки

Принцип действия воздушной холодильной установки основан на расширении предварительно сжатого и охлажденного воздуха. На рис. 14.1 изображена принципиальная схема воздушной холодильной машины.

Рис. 14.1. Принципиальная схема воздушной холодильной установки

Воздух из холодильной камеры3 поступает в компрессор 2. После сжатия до давления(рис. 14.2) он с температуройпоступает в теплообменник1 (холодильник), охлаждается в нем проточной водой до температуры окружающей среды, определяемой точкой 3. Затем воздух поступает в детандер 4, где расширяется от давления до давления . При этом температура воздуха понижается до (-60…-70)С. Холодный воздух направляется в холодильную камеру 3, где нагревается, отбирая теплоту у охлаждаемых тел. После этого цикл повторяется вновь.

Цикл холодильной машины в идиаграммах (рис. 14.2) состоит из следующих процессов:1-2 – сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 – отвод теплоты от воздуха в теплообменнике при постоянном давлении; 3-4 – расширение воздуха в детандере; 4-1- процесс подвода теплоты при постоянном давлении к воздуху в холодильной камере.

Рис. 14.2. Цикл воздушной холодильной машины:

а- в vP- диаграмме; б – вsT- диаграмме.

Удельное количество теплоты, отданное охлаждающей воде:

, (14.1)

а удельное количество теплоты, отобранное охлажденным воздухом от охлаждаемого объема:

. (14.2)

Удельная работа, совершенная воздухом в холодильной установке при постоянном значении теплоемкости:

,

или

Холодильный коэффициент:

. (14.3)

Вследствие малого значения теплоемкости воздуха удельная холодопроизводительность воздушных холодильных установок низка.

14.2 Цикл парокомпрессорной холодильной установки

Хладоагентами паровой холодильной установки являются пары легкокипящих веществ таких, как NH3, углекислота CO2, сернистый ангидрид SO2, хлорметан CH3Cl, фреон. Наибольшее применение получили аммиак и фреоны. В парокомпрессорных холодильных установках, в отличие от воздушных, вместо детандера применяется дроссельный (редукционный) вентиль, при помощи которого регулируют температуру в охлаждаемом объеме изменением степени открытия редукционного вентиля. Процесс адиабатного дросселирования сопровождается ростом энтропии дросселируемого вещества, при этом энтальпия вещества не изменяется.

Рис. 14.3. Принципиальная схема паровой холодильной машины

Парокомпрессорная холодильная установка работает следующим образом. Сжатый в компрессоре 3 (рис.14.3) до давления влажный (сухой) пар поступает в конденсатор (охладитель) 2, где за счет отдачи теплоты охлаждающей среде происходит полная конденсация пара (изобарно-изотермический процесс 4-1, рис. 14.4). Жидкость из конденсатора при давлениии температурепроходит через дроссельный вентиль 1, где она дросселируется до давления. Давлениевыбирается таким, чтобы соответствующая этому давлению температура насыщениябыла несколько ниже температуры охлаждаемого объема. Процесс дросселирования в вентиле 1 является необратимым и на– диаграмме изображается условной линией 1-2. После дроссельного вентиля влажный пар направляется в испаритель 4, где за счет теплоты, отбираемой от охлаждаемых тел, содержащаяся в нем жидкость испаряется, степень сухости влажного пара при этом возрастает (изобарно-изотермический процесс 2-3). Из испарителя пар высокой степени сухости направляется в компрессор 3, где адиабатно сжимается от давлениядо давления. В зависимости от состояния пара, выходящего из компрессора, возможны следующие циклы: на насыщенном паре (рис. 14.4,а); на влажном паре (рис. 14.4,б); на перегретом паре (рис. 14.4,в). Из компрессора пар направляется в конденсатор 4 и цикл замыкается.

Рис. 14.4. Цикл паровой компрессорной холодильной машины

В цикле Карно 1А34 процесс охлаждения хладоагента от температуры до температурыпроисходит по обратимой адиабате 1-А в детандере. Количество теплоты , отбираемое от холодного источника, в цикле парокомпрессорной установки изображается пл.а23b, а количество теплоты , отбираемого в цикле Карно, – пл.сА3b. Из рисунка видно, что пл. сА3b пл. а23b. Потеря хладопроизводительности от замены детандера редукционным вентилем определяется пл.А2ас. Количество теплоты (пл.412аb), переданное в конденсаторе охлаждающей среде при постоянном давлении:

.

Теплота (пл.23bа), подводимая к хладоагенту в охлаждаемом объеме:

.

В цикле парокомпрессорной холодильной установки работа, затрачиваемая на привод компрессора 3:

.

Поскольку в процессе дросселирования , то работа, затрачиваемая в цикле, равна работе компрессора, то есть:

.

Подставляя значения ив выражение (14.3), получим:

. (14.4)

Соседние файлы в папке Термодинамика

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Источник