Модель 4.6. Термодинамические циклы

Глава 4. Химическая термодинамика

Модель посвящена иллюстрации понятия термодинамических циклов. Возможен выбор циклического процесса на графике в координатах (P, V), выводимые параметры позволяют сравнить различные циклы с точки зрения их использования в тепловых двигателях.

Тепловыми двигателями называются устройства, в которых происходит превращение теплоты в работу. Рабочее вещество в любом тепловом двигателе последовательно приводится в тепловой контакт с горячими телами (нагревателями), получая от них некоторое количество теплоты Q₁, и с холодными телами (холодильниками), отдавая им количество теплоты Q₂ < Q₁, и периодически возвращаясь в первоначальное состояние.

Такие процессы называют циклическими или круговыми.

Термодинамика утверждает, что невозможно всю теплоту Q₁, полученную в круговом процессе от нагревателей, превратить в работу (2-й закон термодинамики). Согласно закону сохранения энергии (1-й закон термодинамики) работа, производимая двигателем, есть:

A = Q₁ – Q₂.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение

Простейшим круговым процессом, в котором рабочее вещество (идеальный газ) периодически приводится в тепловой контакт только с одним нагревателем (T₁) и одним холодильником (T₂), является цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. КПД такого идеального теплового двигателя максимален и равен

Для квазистатического осуществления любого другого циклического процесса необходим набор (бесконечный) нагревателей и холодильников с различными температурами.

В этом случае под Q₁ следует понимать полное количество теплоты, полученное рабочим веществом от всех нагревателей; под Q₂ – полное количество теплоты отданное всем холодильникам. КПД произвольного циклического процесса всегда меньше, чем КПД цикла Карно, произведенного при максимальной температуре нагревателя и минимальной температуре холодильника.

В модели можно выбирать на плоскости (P, V) циклы различной формы и определять для каждого цикла коэффициент полезного действия η. Выводится энергетическая диаграмма, на которой представлены подводимое количество теплоты Q, совершенная работа A и изменение ΔU внутренней энергии.

Обратите внимание, что при полном обходе цикла совершенная работа численно равна площади цикла, а изменение внутренней энергии газа равно нулю.

Рабочим веществом в модели является 1 моль одноатомного идеального газа.