Термодинамичният цикъл е поредица от термодинамични процеси, които връщат системата в нейното първоначално състояние. Свойствата зависят само от термодинамичното състояние и следователно не се променят по време на цикъла. Променливите като топлина и работа не са нулеви по време на цикъла, а по-скоро зависят от процеса. Първият закон на термодинамиката повелява, че нетната входяща топлина е равна на нетната изходяща работа за всеки цикъл. Повтарящият се характер на пътя на процеса позволява непрекъсната работа, което прави цикъла важно понятие в термодинамиката.

Ако цикличният процес се движи по посока на часовниковата стрелка около цикъла, тогава той представлява топлинен двигател и W ще бъде положителна величина. Ако се движи в посока, обратна на часовниковата стрелка, той представлява термопомпа и W ще бъде отрицателна величина.

Основни принципи

  • Първи закон (енергийна консервация): За циклична система промяната на вътрешната енергия ΔU = 0, затова сборът от топлините, подадени към системата през цикъла, Q_net, е равен на нетната работа, W_net, извършена от системата: Q_net = W_net.
  • Втори закон и ефективност: Не всеки входяща топлина може да се превърне в полезна работа. Вторият закон определя термодинамичния предел за ефективността и въвежда понятия като обратимост и ентропия.
  • Ентропия: Ентропията е състояние-функция; за самата система, върната в началното си състояние, общата промяна ΔS_system = 0. Въпреки това при нелинейни (необратими) процеси има генериране на ентропия в околната среда и сумарната ентропия на „система + околност“ расте.
  • Пътищата (процесите) имат значение: Топлината и работата са зависими от пътя — различни процеси между еднакви начални и крайни състояния дават различни Q и W.

Графично представяне и знак на работата

  • На p–V диаграма площта, обхваната от затворен цикъл, представлява нетната механична работа, извършена от системата (изходяща работа). Посоката на обикаляне определя дали системата е двигател (по часовниковата стрелка) или помпа/охладител (обратно на часовниковата стрелка).
  • На T–S диаграма топлинният обмен е свързан с площта под кривата: Q = ∫ T dS, а затворената площ дава нетния топлообмен за цикъла.
  • Често се използва инженерната конвенция: ако системата извършва работа върху околността, W е положителна (работа извън системата); ако работата е извършена върху системата, W е отрицателна.

Видове цикли и примери

  • Carnot цикъл: Идеален обратим цикъл между два температурни резервоара. Дава най-горната граница за ефективността: η_Carnot = 1 − T_c / T_h (температурите в K).
  • Otto цикъл: Модел за бензинов (инициран) двигател с въздушно-горивна смес (използва се за характеризиране на работата и ефективността при автомобилни двигатели).
  • Diesel цикъл: Модел за дизелови двигатели, където запалването става чрез компресия.
  • Brayton (или Joule) цикъл: Основен за газовите турбини и реактивните двигатели (може да бъде както затворен, така и действително отворен поток).
  • Rankine цикъл: Модел за парни турбини и електроцентрали; използва фазова промяна на работното тяло (вода/пара).
  • Охладителни/термопомпени цикли: Към тях спадат цикли с компресор (хладилна машина) и обратими версии; за тях се използва коефициент на представяне (COP), а не ефективност в смисъла на двигател.

Ефективност и коефициенти

  • За двигател ефективността се дефинира като η = W_out / Q_in = 1 − Q_out / Q_in.
  • За охладител и термопомпа се използва COP: за охладител COP_R = Q_c / W_in; за термопомпа COP_H = Q_h / W_in.
  • Практическите (реални) цикли имат по-ниски КПД от идеалните (напр. Carnot) поради триене, топлинни загуби, необратимости и реални свойства на работните тела.

Приложения и бележки

  • Термодинамичните цикли стоят в основата на всички топлинни машини — автомобилни двигатели, парни електроцентрали, газови турбини, хладилни агрегати и термопомпи.
  • Различаваме затворени цикли (система, която се връща в началното си състояние и работното тяло остава в същата маса) и открити/поточни цикли (степани устройства с постоянен масов поток, напр. турбини и компресори).
  • При проектиране се търси баланс между ефективност, разходи, надеждност и екологични изисквания; подобренията включват повишаване на работните температури, рекуперация на топлина и намаляване на необратимостите.

Кратко резюме: Термодинамичният цикъл е повтарящ набор от процеси, при които системата се връща в началното си състояние; макар състоянието да не се променя, през цикъла протичат топлина и работа. Първият закон осигурява баланса Q_net = W_net, а вторият закон поставя граници за това колко от входящата топлина може да се превърне в полезна работа.