Введение
Связанные циклические серии термодинамических процессов
Термодинамический цикл состоит из последовательно связанных термодинамических процессов, включающих передачу тепла и работы в систему и из нее, при этом изменяются давление, температура и другие параметры состояния в системе, и система в конечном итоге возвращается в свое начальное состояние. В процессе прохождения цикла рабочее тело (система) может преобразовывать тепло от теплого источника в полезную работу и отводить остаточное тепло к холодному теплоприемнику, тем самым функционируя как тепловой двигатель. И наоборот, цикл может быть изменен на обратный, используя работу для перемещения тепла от холодного источника к теплому теплоприемнику, тем самым действуя как тепловой насос. Если в каждой точке цикла система находится в термодинамическом равновесии, цикл является обратимым. Независимо от того, осуществляется цикл обратимо или необратимо, чистое изменение энтропии системы равно нулю, поскольку энтропия является функцией состояния. В течение замкнутого цикла система возвращается к своему исходному термодинамическому состоянию температуры и давления. Величины процесса (или величины по пути), такие как тепло и работа, зависят от процесса. Для цикла, в котором система возвращается в начальное состояние, применим первый закон термодинамики:
Указанное выше означает, что изменение внутренней энергии системы в течение цикла равно нулю. обозначает общую работу и тепло, подведенные к системе в течение цикла, а – общую работу и тепло, отводимые от системы в течение цикла. Повторяющийся характер пути процесса обеспечивает непрерывную работу, что делает цикл важной концепцией в термодинамике. Термодинамические циклы часто математически представляются как квазистатические процессы при моделировании работы реального устройства.
Тепло и работа
Два основных класса термодинамических циклов — это циклы тепловых двигателей и циклы тепловых насосов. Циклы тепловых двигателей преобразуют часть подводимого тепла в механическую работу, а циклы тепловых насосов переносят тепло от низких температур к высоким, используя механическую работу в качестве затрачиваемой энергии. Циклы, состоящие исключительно из квазистатических процессов, могут функционировать как циклы тепловых двигателей или тепловых насосов путем управления направлением процесса. На диаграмме "давление-объем" (PV) или диаграмме "температура-энтропия" направление по часовой стрелке соответствует циклам тепловых двигателей, а против часовой стрелки — циклам тепловых насосов.
Циклы тепловых насосов
Термодинамические циклы тепловых насосов служат основой для бытовых тепловых насосов и холодильников. Разница между ними заключается лишь в назначении: холодильник предназначен для охлаждения небольшого пространства, а бытовой тепловой насос – для обогрева или охлаждения дома. Оба устройства работают, перемещая тепло из холодного пространства в теплое. Наиболее распространенным циклом охлаждения является цикл парокомпрессии, который моделирует системы, использующие хладагенты, изменяющие свое агрегатное состояние. Альтернативой является абсорбционный холодильный цикл, в котором хладагент поглощается в жидком растворе, а не испаряется. К циклам газового охлаждения относятся обратный цикл Брэйтона и цикл Хэмпсона-Линде. Циклы многократного сжатия и расширения позволяют газовым холодильным системам сжигать газы.