4.1. Оборотні і необоротні термодинамічні процеси.

П оняття оборотності термодинамічних процесів є фундаментальним поняттям термодинаміки взагалі і для технічної термодинаміки зокрема. Візьмемо робочу діаграму, покажемо якийсь політропний процес 1-2. Раз цей процес зображаємо в робочій діаграмі то передбачається що він є рівноважний. Напрямок від точки 1 до точки 2 є прямий напрямок, а від точки 2 до 1 зворотній. Так от якщо ми цей процес спершу здійснимо в прямому напрямку, потім в зворотному і приведемо РТ в т.1 і при цьому ні в робочому тілі, ні в навколишньому середовищі ніяких змін не буде зафіксовано. Що це означає. Наприклад до РТ розширилося і виконало роботу і до нього підведено теплоту , а якщо іти в зворотньому напрямку то РТ треба стиснути і робота повинна . Якщо в прямому напрямку теплота була підведена то в зворотному напрямку треба відвести таку ж кількість теплоти .

Оборотним називається такий процес який протікаючи в прямому і зворотному напрямку не залишає змін ні в навколишньому середовищі ні робочому тілі.

Коли виконуються умови і тоді процес 1-2 може називатися оборотним.

Щоб процес з точки зору термодинаміки був оборотним треба витримати 2 умови:

1 умова – процес повинен бути рівноважним і . Якщо не виконується ця умова тоді процес називається внутрішньо не оборотний.

2 умова – різниця температур робочого тіла і навколишнього середовища протягом всього процесу повинна залишатися нескінченно малою. Що це означає: в точці 1 температура РТ і навколишнє середовище повинно мати джерело теплоти оскільки умова що в процесі 1-2 теплота повинна підводитися. А якщо взяти якусь точку то в ній повинно бути джерело теплоти з температурою .І таких точок в процесі є безліч. І це означає що в НС повинно бути безліч джерел теплоти з різною температурою, а температура двох сусідніх джерел повинна відрізнятися на . Звичайно що створити таке джерело теплоти яке б складалося з безлічі елементарних джерел неможливо і до цього ніхто і не прагне.

Оборотність – абстрактне поняття це ідеальне поняття. Оборотних процесів в природі не буває однак слід прагнути зменшити необоротність реальних процесів. Необоротність заключається що теплообмін відбувається не при нескінченно малій різниці температур а при якісь кінцевій різниці. Тому завжди треба прагнути до зменшення необоротності. Всі процеси в тій чи іншій мірі необоротні, має місце дисипація енергії і вона використовується нераціонально.

4.2 Прямі і обернені термодинамічні цикли.

Обернений означає що процес здійснюється в напрямку зворотному ніж прямий процес. Повертаючись до попереднього малюнку можна сказати що 1-2 прямий напрямок процесу, а 2-1 обернений до нього процес.

Р озглянемо невелику задачу – будемо оперувати оборотними процесами оскільки вони є в енергетичному відношенні більш вигідними ніж необоротні. Розглянемо систему гарячих джерел теплоти (нескінченна кількість джерел теплоти об’єднаних в одну систему) і систему так званих холодних джерел теплоти (середньоінтегральна температура цих джерел більша, а цих менша). Між ними будемо мати РТ. Візьмемо від СГДТ якусь кількість теплоти і перетворимо на корисну роботу. Те що ми робимо проілюструємо за допомогою p-V діаграми. Якщо до РТ підвести теплоту то воно розшириться – покажемо політропний оборотний процес 1-2 і виконана така робота зміни об’єму. Тепер хочу знову виконати туж роботу розширення але для цього треба повернути РТ до початкового положення таким шляхом щоб робота стиснення була меншою. Процес теж буде оборотний 2-1 і на стискування ми витрачаємо таку роботу стискування. І при чому . В процесі стискування РТ нагрівається і тому від РТ треба відвести теплоту для чого використовується система ХДТ – систему щоб процес був оборотний. І покажемо що теплоту відводимо від РТ. Чи повністю теплота підведена до РТ переведена в корисну роботу ні - корисна робота (робота циклу) яку ми використовуємо. Площа обмежена лініями 1-2 та 2-1 є корисною роботою циклу. А те що у нас утворилося в робочій діаграмі є круговий термодинамічний процес або цикл. Цикл складається з двох оборотних процесів тому цикл оборотний. Якщо хоча б один з процесів був необоротній то і цикл був би необоротній. В цьому циклі - теплота циклу.

Цикл в якій теплова енергія перетворюється в механічну роботу зміни об’єму називається прямим (прямі цикли здійснюються в діаграмах стану за годинниковою стрілкою). Схема зліва від діаграми – схема теплового двигуна.

О цінити термодинамічну ефективність прямого циклу можна термічним коефіцієнтом корисної дії . Максимально ККД = 1 коли вся теплоти перетворена в корисну роботу. Обернені цикли – цикли холодильних машин або теплових насосів. Спочатку РТ має температуру нижчу ніж СХДТ і теплота в кількості віддається до РТ. Що зображаємо в робочій діаграмі – процес розширення 1-2 коли теплота підводиться. Щоб повернути в т.1 рт здійснюється процес стискування в якому від РТ відводиться теплота а на стискування витрачається якась робота . В результаті теплота передається від РТ до СГДТ. Чому тепловий насос – ми перекачуємо примусово теплоту від системи менш теплої до системи з більшою температурою. Так працює холодильна машина. Для цього затрачається робота – працює компресор. Цей цикл є обернений по відношенню до прямого. Теж може бути оборотним і необоротним.

Обернені цикли здійснюється проти годинникової стрілки. В ньому механічна енергія перетворюється в теплову.

Характеризує термодинамічну ефективність – холодильний коефіцієнт. теплоти беруться за абсолютною величиною. Чим більший є тим більш досконала холодильна машина. Може бути 4,7­ - 4,5. Якщо ККД обмежений 1 то тут верхньої межі не існує.