Термодинамические процессы изменения состояния

Любое изменение термодинамического состояния системы называется термодинамическим процессом.

Большинство термодинамических процессов изменения состояния простых тел описывается уравнением политропы с постоянным показателем

, (12)

где n – показатель политропы, в общем случае изменяющийся в пределах .

Термодинамическая и потенциальная работы 1 газа определяются в координатах как площади между кривой процесса и соответствующими координатами (рис. 1).

Рис. 1. Политропический процесс

Удельные термодинамическая и потенциальная работы в политропических процессах можно рассчитать по следующим соотношениям:

; (13)

, (14)

где – характеристика расширения или сжатия,

. (15)

Характеристика расширения или сжатия для идеальных газов может быть определена по формуле

. (15.а)

Количество теплоты, подводимое или отводимое от 1 кг идеального газа в политропном процессе, может быть рассчитано по следующему соотношению:

. (16)

Расчетные соотношения для определения удельных значений термодинамической и потенциальной работ и теплообмена в простейших процессах имеют следующий вид:

– изобарный процесс ()

, (17)

, (18)

; (19)

– изохорный процесс ()

, (20)

, (21)

; (22)

– изопотенциальный процесс (для идеального газа – изотермический процесс) ()

; (23)

– адиабатный процесс ()

, (24)

. (25)

Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия являются функциями состояния. В связи с этим, изменение их значений в процессе будет определяться как разность конечного () и начального () значений

, (26)

где z – функция состояния ().

Круговые процессы (циклы)

Круговым процессом или циклом называется непрерывная последовательность процессов, характеризующаяся возвратом рабочего тела в исходное состояние. В термодинамических циклах исключены необратимые потери рабочего процесса [1].

Первое начало термодинамики для циклов записывается следующим образом:

. (27)

Так как изменение любой функции состояния в круговом процессе равно нулю

, (28)

первое начало термодинамики для циклов принимает следующий вид:

(29)

или

, (30)

где и – количество теплоты, подведенной и отведенной от рабочего тела в цикле, – работа цикла (сумма работ во всех процессах цикла).

Если , то рассматриваемый цикл является циклом теплового двигателя, в противном случае – циклом холодильной машины.

Термодинамические циклы тепловых двигателей принято изображать в и координатах (рис. 2).

Рис. 2. Термодинамический цикл теплового двигателя

Площадь замкнутого контура, образованного циклом в этих координатах, характеризует работу цикла .

Эффективность термодинамических циклов тепловых двигателей оценивается термическим коэффициентом полезного действия

. (31)

Наибольший КПД среди термодинамических циклов при одинаковых граничных температурах рабочего тела имеет цикл
Карно (рис. 2). КПД цикла Карно определяется из следующего соотношения:

, (32)

где и – температура рабочего тела в процессах подвода и отвода теплоты, К.