Термодинамичен цикъл: определение, принципи и примери

Термодинамичен цикъл: изчерпателно обяснение на принципите, закони и примери за топлинни двигатели и термопомпи. Научете работата и приложенията му.

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.

Класове

Два основни класа термодинамични цикли са енергийните и термопомпените цикли. Енергийните цикли са цикли, които преобразуват вложената топлина в механична работа, докато термопомпените цикли пренасят топлина от ниски към високи температури, като използват вложена механична работа.

Термодинамични енергийни цикли

Термодинамичните енергийни цикли са в основата на работата на топлинните двигатели, които осигуряват по-голямата част от световната електрическа енергия и задвижват почти всички моторни превозни средства. Енергийните цикли могат да бъдат разделени според вида на топлинния двигател, който се опитват да моделират. Най-разпространените цикли, които моделират двигатели с вътрешно горене, са цикълът на Ото, който моделира бензинови двигатели, и цикълът на Дизел, който моделира дизелови двигатели. Циклите, които моделират двигатели с външно горене, включват цикъла на Брейтън, който моделира газови турбини, и цикъла на Ранкин, който моделира парни турбини.

Диаграма на топлинния двигател.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява термодинамичният цикъл?

В: Променят ли се свойствата по време на термодинамичния цикъл?

Въпрос: Топлината и работата нула ли са по време на термодинамичния цикъл?

В: Какво налага първият закон на термодинамиката по време на цикъл?

В: Защо цикълът е важно понятие в термодинамиката?

В: Какво представлява термодинамичният цикъл по посока на часовниковата стрелка?

Въпрос: Какво представлява термодинамичният цикъл, който е в посока, обратна на часовниковата стрелка?

Търсене по буква