Термодинамические циклы представляют собой удивительные круговые процессы, лежащие в основе функционирования многих технических устройств и даже живых организмов. Давайте разберемся в их устройстве и принципах работы, чтобы лучше понять законы природы.
Сущность термодинамических циклов
Термодинамические циклы - это круговые процессы в термодинамике, в которых начальные и конечные параметры состояния рабочего тела (давление, объем, температура, энтропия) совпадают. Они служат моделями реальных процессов, протекающих в тепловых машинах для превращения тепловой энергии в механическую работу.
Любая тепловая машина включает три основных компонента:
- Рабочее тело (газ или жидкость)
- Нагреватель для сообщения теплоты рабочему телу
- Холодильник для отвода теплоты от рабочего тела
Благодаря этим компонентам состояние рабочего тела циклически изменяется, обеспечивая совершение работы.
Термодинамические циклы являются круговыми процессами, существующими в термодинамике (иначе говоря, это такие процессы, в которых наблюдаются совпадения начальных и конечных параметров, определяющих состояние рабочего тела (выражено объемом, давлением, энтропией и температурой)).
Виды термодинамических циклов
Различают обратимые и необратимые циклы. В обратимых циклах суммарная энтропия системы не меняется, их можно провести в прямом и обратном направлении. Такие циклы наиболее эффективны.
Цикл Карно является единственным обратимым циклом для машины, где теплообмен происходит только между рабочим телом, нагревателем и холодильником. Этот цикл состоит из двух изотерм (процессов при постоянной температуре) и двух адиабат (процессов без теплообмена). КПД цикла Карно максимален для заданной разности температур.
Существуют и другие циклы, где обратимость достигается с помощью дополнительного теплового резервуара - регенератора. К таким циклам относятся:
- Цикл Стирлинга
- Цикл Эрикссона
Общим для всех циклов с регенерацией является цикл Рейтлингера. Эффективность обратимых циклов выше необратимых, что следует из анализа второго начала термодинамики.
Термодинамические циклы широко используются на практике в различных тепловых машинах - паровых и газотурбинных установках, двигателях внутреннего сгорания, холодильниках.
Для оценки эффективности обратных циклов применяются холодильный и отопительный коэффициенты. Их максимальные значения в заданном температурном интервале имеет обратный цикл Карно.
Применение циклов на практике
На практике термодинамические циклы широко используются в различных тепловых машинах и установках:
- Двигатели внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные)
- Паровые турбины на тепловых и атомных электростанциях
- Газотурбинные установки
- Холодильные машины и установки кондиционирования
В этих машинах и установках реализованы различные циклы, чаще всего необратимые. Наиболее близок к идеальному циклу Карно работает газотурбинная установка.
Термодинамический анализ процессов
Расчет термодинамических циклов позволяет определить основные энергетические показатели процесса:
- Количество подводимой теплоты
- Количество отводимой теплоты
- Полезную работу
- КПД или другие коэффициенты эффективности
Анализ конкретного цикла дает возможность выявить резервы повышения его экономичности. Рассмотрим в качестве примера расчет параметров цикла Карно.
Пример расчета цикла Карно
Для полного расчета цикла Карно необходимо:
- Задать температуры нагревателя и холодильника
- Определить параметры (давление, объем, температуру) рабочего тела в характерных точках цикла
- Рассчитать теплоту, подводимую и отводимую за цикл
- Рассчитать совершаемую работу и КПД цикла
Подробная методика расчета изложена в учебниках по технической термодинамике. Знание принципов расчета термодинамических циклов важно для инженеров-теплотехников при проектировании и оптимизации работы тепловых машин и установок.
Циклы в живых организмах
Принцип цикличности широко распространен и в живой природе. В клетках организмов протекают биохимические циклы, обеспечивающие обмен веществ и превращение энергии.
Одним из важнейших биохимических циклов является фотосинтез растений, в котором солнечная энергия превращается в энергию органических веществ. Этот цикл можно рассматривать как аналог технического термодинамического цикла.
Сходство биохимических и технических циклов
Биохимические циклы в живых организмах и технические термодинамические циклы имеют ряд сходных черт:
- Цикличность протекания процессов
- Наличие этапов подвода и отвода энергии
- Превращение одних видов энергии в другие по определенным законам
В то же время есть и отличия:
- Биохимические циклы протекают при постоянных температуре и давлении
- Рабочим телом в биоцклах служат сложные органические молекулы
- Регуляция осуществляется на генном и ферментативном уровне
Пример биохимического цикла
Рассмотрим в качестве примера цикл дыхания в клетках человека и животных. Этот цикл включает:
- Подвод кислорода и органических веществ
- Окислительные реакции с выделением энергии
- Синтез АТФ - переносчика химической энергии
- Отвод продуктов распада (СО2 и Н2О)
Таким образом осуществляется непрерывное производство энергии, необходимой для всех процессов жизнедеятельности.
Совершенствование термодинамических циклов имеет большие перспективы для повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов.
