4.2. Полезная работа цикла. Термический кпд цикла

Разность работ расширения и сжатия называется полезной работой цикла L_ц:

L_ц = L_расш – L_сж . (4.1)

Работа цикла в координатах “p-υ ” изображается площадью, описываемой круговым процессом 1-а-2-б-1.

Из приведенного анализа цикла следует, что для получения полезной работы в круговом процессе необходимо иметь:

- горячий источник (теплоотдатчик), отдающий рабочему телу теплоту при его расширении;

- рабочее тело, которое совершает работу при расширении;

- холодный источник (холодильник), который воспринимает теплоту от рабочего тела, при его сжатии (рис. 4.1,в).

Связь между теплотой, подведённой к рабочему телу q₁ и отведённого от него q₂ и работой цикла L_ц можно установить, применив первый закон термодинамики к процессам, составляющим цикл:

- для процесса расширения q₁ = ΔU₁₂ + L_расш;

- для процесса сжатия –q₂ = –ΔU₂₁ – L_сж.

Суммируя эти уравнения и учитывая, что ΔU₁₂ = –ΔU₂₁, получим:

q₁ – |q₂| = ‌‌ L_расш – L_сж = L_ц . (4.2)

Таким образом, полезная работа цикла пропорциональна разности подведённой к рабочему телу и отведённой от него теплоты. То есть количество работы, совершённой термодинамической системой за цикл, должно равняться количеству теплоту полученной системой в течение того же цикла. Можно говорить, что в рассмотренном круговом процессе произошло превращение теплоты q_ц = q₁ – |q₂| в механическую работу L_ц.

q_ц = L_ц = q₁ – |q₂| (4.3)

Рассмотренный цикл совершается в тепловых двигателях, а сам цикл называется термодинамическим циклом или просто циклом тепловых двигателей.

На рис. 4.2. изображена схема, отображающая принципиальные условия работы теплового двигателя:

Рис. 4.2. Принципиальная схема работы теплового двигателя

Термодинамическая система, обеспечивающая циклическое действие теплового двигателя в течение необходимого достаточно продолжительного времени, должна включать:

- рабочее тело (газ или пар), получающее теплоту и переводящее её в работу цикла L_ц;

- теплоотдатчик (горячий источник тепла), сообщающий за цикл каждой единице массы рабочего тела теплоту q₁.

Теплоприемник (холодный источник тепла), куда от единицы массы рабочего тела отводится за цикл теплота q₂.

Очевидно, что для получения положительной работы цикла должно быть q₁ > q₂. Следовательно, в тепловом двигателе только часть теплоты, получаемой от теплоотдатчика (от горячего источника), преобразуется в полезную работу.

А теплота q₂, поступающая в теплообменник (холодильник), утрачивает свою ценность как энергия, которая может быть преобразована в работу.

Степень преобразования теплоты в работу в тепловом двигателе оценивается термическим КПД.

Термическим КПД цикла η_t называется отношение тепла, превращённого в работу цикла, ко всему подведенному за цикл теплу:

(4.4)

Термический КПД цикла характеризует совершенство цикла теплового двигателя с точки зрения преобразования, в полезную работу подведённого к рабочему телу тепла.

Значение КПД цикла зависит от условий, в которых происходит подвод и отвод теплоты, а также от характера (типа) термодинамических процессов, из которых составлен конкретный цикл. При прочих равных условиях наибольшее значение термического КПД будет иметь такие циклы, в которых все процессы являются равновесными (обратимыми).

Цикл являются обратимым, если он состоит только из обратимых термодинамических процессов. Если хотя бы один термодинамический процесс в цикле является, необратимым, цикл также будет необратимым. Процессы, протекающие в реальных технических устройствах, необратимы. Следовательно, необратимы все циклы реализуемые в тепловых машинах.

Согласно формуле (4.4) для всех тепловых двигателей, в том числе и идеальных всегда η_t < 1.