Обратимые и необратимые циклы

Для непрерывной работы любой тепловой, в том числе холодильной машины, необходимо осуществление термодинамического цикла. Разность между подведенной и отведенной теплотой в цикле равна внешней работе, что справедливо для обратимых и необратимых циклов. Если все процессы в цикле обратимы, то цикл также является обратимым, и его можно осуществить как в прямом, так и в обратном направлении.

Обратимым является такой идеализированный, абстрактный процесс, который протекает без нарушения равновесия как в самой системе (внутреннее равновесие), так и между ней и окружающей средой (внешнее равновесие). Процесс является обратимым в том и только в том случае, когда он является квазистатическим, т.е. таким, при котором все промежуточные состояния системы равновесны. Обратимый процесс характеризуется бесконечно большим временем протекания и нулевой разностью в каждый момент времени между температурами и давлениями в любой точке как в самой системе, так и на границе системы с окружающей средой.

Практически все реальные процессы, происходящие в термотрансформаторах энергии, являются необратимыми. Реальный процесс можно считать приближенно квазистатическим, когда время протекания процесса велико по сравнению со временем самопроизвольного установления состояния равновесия, а разности между температурами и давлениями незначительны. Это дает возможность использовать для инженерных расчетов при указанных допущениях термодинамические соотношения, строго справедливые лишь для обратимых процессов.

Рис. 1 – Циклы Карно: а) обратный цикл Карно; б) прямой цикл Карно.

Обратимым является цикл Карно, состоящий из двух изотемических и двух адиабатических процессов. Для обеспечения обратимости температуры источников теплоты должны быть постоянными, а теплообмен рабочего вещества с источниками теплоты должен происходить при нулевой разности между температурами.

При необратимых процессах энтропия системы возрастает, исходя из чего теоремой Гюи - Стодола доказано, что любая необратимость приводит к потерям или дополнительным затратам работы. Аналитически это выражается следующим уравнением:

,	(5)
где	DL	-	потеря работы, Дж;
	Тос	-	температура окружающей среды;
	DS	-	возрастание энтропии системы.

Возрастание энтропии при необратимых процессах означает рассеяние (диссипацию) энергии. Рассеянная энергия в принципе не может быть превращена в работу, поэтому максимально возможные коэффициенты преобразования теплоты и работы имеют место в циклах, удовлетворяющих условиям обратимости.