Та бесконечность, которой вещи не достигают, двигаясь в одном направлении, достигается ими путем кругообращения»[14]

Еще более четко сформулировал это положение в 1949 году Р.И.Вильямс:

«… единственный способ придать ограниченному количеству свойства бесконечного – заставить его вращаться по замкнутой кривой под воздействием внешнего потока энергии» [15]

В настоящее время, как в количественном, так и качественном аспектах наиболее детально исследованы термодинамические циклы, которые мы вначале и рассмотрим. В более общем виде проблема циклов рассматривается в последующих разделах работы.

2. Термодинамический цикл есть круговой процесс, осуществляемый термодинамической системой.

Под круговым процессом в термодинамике понимается такой процесс, при котором все термодинамические параметры и термодинамические функции возвращаются к своим начальным значениям. Если термодинамическое состояние системы определяется двумя параметрами, например и , или любой другой парой параметров, круговой процесс изображается в виде замкнутой кривой (цикла) на плоскости, координатами которой служат указанные термодинамические параметры.

Изучаемые в термодинамике циклы представляют собой сочетания различных термодинамических процессов, и, в первую очередь, рассмотренных выше изотермических, адиабатических, изобарических, изохорических.

К числу термодинамических циклов, изучение которых сыграло особо важную роль в разработке общих основ термодинамики и в развитии ее технических приложений, обычно относят циклы Карно, Клапейрона, Клаузиуса-Ренкина и ряд других. Все они представляют собой циклы работы тепловых машин, или могут быть представлены в виде таких циклов.

3. На рисунке 3.6. представлен цикл работы некоторой тепловой машины.

Рис.3.6. Замкнутый цикл работы теплового двигателя

Принято считать, что если процесс осуществляется по часовой стрелке, то работа, совершаемая за один цикл

Пусть - поглощенное тепло, а - отдаваемое тепло (). Опыт показывает, что тепло неизбежно существует в любом тепловом двигателе (как тепловой «шлак»). По первому началу за цикл приращение внутренней энергии рабочего вещества , поэтому .

Эффективность теплового двигателя определяют по его КПД, равному:

(3.69)

Формула (3.69) имеет фундаментальное значение для всего дальнейшего исследования, поскольку любой процесс в природе и обществе как это показано в дальнейшем можно представить как работу некоторой идеальной машины, и, следовательно, появляется возможность вычисления КПД этого процесса в соответствии с общей формулой (3.69).

4. Первым по времени исследования, и наиболее эффективным по величине КПД является цикл Карно, с анализа которого мы и начнем рассмотрение различных циклов.

Рассмотренный Карно тепловой двигатель состоял из нагревателя, с температурой , холодильника, с температурой и рабочего тела, то есть устройства, способного получать тепло и совершать работу.

Рис.3.7. Схема для анализа цикла Карно

Под рабочим телом пока будем понимать идеальный газ в цилиндре с поршнем.

Карно рассмотрел цикл из двух изотерм и двух адиабат (Рис.3.8).

T1 2

T2 3

Рис.3.8. Цикл Карно

При изотермическом расширении 1-2 газ находится в контакте с нагревателем (). При этом газ получает тепло . На изотерме 3-4 газ отдает тепло холодильнику (). В соответствии с ранее полученной формулой КПД двигателя:

(3.70)

Данный цикл является обратимым, если его проводить бесконечно медленно. Он может быть проведен в обратном порядке, и при этом газ совершит отрицательную работу, нагреватель получает обратно тепло , холодильник отдает газу тепло , которое он получил в прямом цикле. Именно так в принципе работает любой бытовой холодильник.

Дальнейшие рассуждения проще всего провести, изобразив цикл Карно не на диаграмме , а на диаграмме , (энтропия – температура). На этой диаграмме цикл Карно имеет вид прямоугольника.

Изотермы изображаются прямыми 1-2 и 3-4, адиабаты – прямыми 2-3 и 4-1. Полученное тепло и равно площади под отрезком 1-2. Отданное холодильнику тепло и равно площади под отрезком 4-3. при этом площадь прямоугольника, то есть равна работе , совершаемой двигателем за цикл.

Подставив выражения и в общую формулу КПД, получим, что КПД цикла Карно

(3.71)

При выводе этой формулы не делалось никаких предположений о свойствах рабочего вещества и устройства теплового двигателя.

T 1 2

4 3

S