Обратимые циклы и оценка их эффективности

Выше было показано, что термодинамические циклы бывают прямыми и обратными. В прямых циклах теплота превращается в работу, а в обратных – работа превращается в тепло.

Рассмотрим условия, которые необходимо соблюсти для осуществления прямого цикла (рис. 5.1). Известно, что процесс, расположенный выше адиабаты, проходящей через его начальную точку, протекает с подводом теплоты, а ниже ее – с отводом теплоты. Поэтому, проведя две адиабаты, касательные к линии прямого цикла в точках А и В, мы получаем два участка этой линии – верхний и нижний. На верхнем участке процесс сопровождается подводом тепла, а на нижнем – отводом его. Следовательно, для осуществления такого цикла необходимо бесконечно большое количество горячих источников тепла, отдающих рабочему телу теплоту в количестве q₁ при бесконечно малой разности температур и бесконечно большое количество холодных теплоприемников, получающих от рабочего тела теплоту в количестве q ₂ , также при бесконечно малой разности температур. Разность этих количеств тепла q₀ = q₁ –q₂ расходуется на совершение работы l₀ , равной площади, ограниченной линией цикла, причем по первому закону термодинамики q₀ =l₀.

Прямые обратимые циклы являются идеализацией комплекса реальных процессов, осуществляемых в тепловых двигателях с целью превращения теплоты в работу. Поэтому характеристикой эффективности таких циклов является отношение

, (5.1)

показывающее, какая доля всего затраченного на цикл тепла превращается в работу. Это отношение называется термическим коэффициентом полезного действия (к.п.д.) данного цикла.

Изложенное показывает, что превращение теплоты в работу не является процессом самопроизвольным и может быть осуществлено лишь при наличии компенсирующего процесса – передачи части затрачиваемого тепла из горячих в холодные теплоприемники без превращения в работу.

Аналогичным образом можно выяснить условия осуществления обратных циклов (рис. 5.2).

Две адиабаты, касательные к линии обратного цикла в точках С и D, делят весь цикл на два участка –нижний, на котором тепло подводится в количестве q₂ от бесконечно большого числа холодных источников теплоты, и верхний, на котором тепло отводится в количестве q₁ к бесконечно большому числу горячих теплоприемников. Разность этих количеств тепла q₀ = q₁ –q₂ представляет собой тепло, полученное за счет затраты работы, равной площади цикла, причем по первому закону термодинамики q₀ =l₀.

Обратные обратимые циклы являются идеализацией комплексов реальных процессов, осуществляемых в холодильных установках с целью переноса теплоты с более низкого на более высокий температурный уровень. Поэтому характеристикой эффективности таких циклов является отношение

, (5.2)

показывающее, какое количество теплоты, отводимого от холодных источников, приходится на единицу затраченной работы. Это отношение называется холодильным коэффициентом.

Изложенное показывает, что переход теплоты с более низкого на более высокий температурный уровень не является процессом самопроизвольным и может быть осуществлен при наличии компенсирующего процесса – превращения определенного количества работы в тепло, передаваемое затем горячим теплоприемникам вместе с теплом, отнимаемым у холодильных источников тепла.