Termodinamiskais cikls — definīcija un piemēri (siltuma dzinēji, siltumsūkņi)

Uzzini termodinamiskā cikla definīciju, principus un praktiskus piemērus — siltuma dzinēji un siltumsūkņi, enerģijas plūsma, efektivitāte un likumi.

Termodinamiskais cikls ir virkne termodinamisko procesu, kuri atgriež sistēmu tās sākotnējā stāvoklī pēc viena pilna cikla. Īpašības (piemēram, spiediens, temperatūra, tilpums) ir atkarīgas tikai no termodinamiskā stāvokļa, tāpēc, ja sistēma pēc cikla atgriežas sākotnējā stāvoklī, tās stāvokļa funkcijas cikla laikā neizmainās. Tomēr tādas ceļa atkarīgas lielības kā siltums un darbs cikla laikā var būt nenulles, un to vērtības ir atkarīgas no procesa gaita. Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka, jo sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņa pilnā ciklā ir nulle, neto ievadītais siltums ir vienāds ar neto izvadīto darbu jebkurā ciklā. Procesa ceļa atkārtošanās nodrošina nepārtrauktu darbību, padarot ciklu par svarīgu termodinamikas jēdzienu.

Pamata jēdzieni un likumi

Jo cikla laikā sistēma atgriežas sākotnējā stāvoklī, iekšējās enerģijas izmaiņa ΔU = 0. No pirmā likuma izriet, ka Q_net = W_net, kur Q_net ir cikla laikā saņemtais neto siltums, bet W_net — cikla laikā veiktais neto darbs. Otrā termodinamikas likuma ierobežojumi nosaka, ka neviens siltuma dzinējs nevar pārvērst visu saņemto siltumu par darbu bez siltuma nogādāšanas zemākas temperatūras rezervuārā; tas nosaka maksimāli iespējamās efektivitātes robežas (piemēram, Karno cikla gadījumā).

Grafiska attēlošana un stāvokļu diagrammas

Bieži termodinamiskos ciklus attēlo spiediena—tilpuma (p–V) vai temperatūras—entropijas (T–S) diagrammās. Cikls parasti ir slēgta kontūra šādā diagrammā; laukums, ko aizņem kontūra p–V diagrammā, atbilst darba apjomam, ko sistēma veic vai kas tiek veikts uz sistēmu.

Siltuma dzinēji un siltumsūkņi

Ja cikliskais process p–V diagrammā pārvietojas pulksteņrādītāja kustības virzienā, tas parasti nozīmē, ka sistēma veic pozitīvu darbu uz apkārtējo vidi — tas ir siltuma dzinējs, un W būs pozitīvs. Ja kustība ir pret pulksteņrādītāja virzienu, sistēmai tiek piegādāts darbs (t.i., darbs tiek veikts uz sistēmu) — tā ir siltumsūknis, un W būs negatīvs.

Efektivitāte un veiktspējas koeficients:

• Siltuma dzinēja efektivitāte η = W_out / Q_in = 1 − Q_out / Q_in. Efektivitāte vienmēr ir mazāka par 1 (100%).
• Siltumsūkņa vai dzesētāja veiktspējas koeficients (COP) tiek definēts atkarībā no režīma: COP_heating = Q_hot / W, COP_cooling = Q_cold / W, kur Q_hot ir siltums, piegādāts sildīšanas režīmā, Q_cold — izņemtais siltums dzesēšanas režīmā.

Piemēri un tipi

• Karno cikls — ideāls reverss cikls ar divām izotermām un divām adiabātām; nosaka maksimālo iespējamo efektivitāti starp diviem temperatūras rezervuāriem: η_Carnot = 1 − T_c / T_h (temperatūras jāizmanto Kelvinā).
• Otto cikls — ideālais cikls, kas raksturo benzīna iekšdedzes dzinējus; ietver divas adiabātas un divas izohoras (const. V).
• Dīzeļa cikls — līdzīgs Otto, bet ar daļēju siltuma padevi izobāri (const. p); raksturīgs dīzeļa dzinējiem.
• Brayton (Džeta) cikls — gāzes turbīnu cikls ar kompresiju, sadegšanu (pie aptuveni konstanta spiediena) un paplašināšanos turbīnā.
• Rankine cikls — tvaika spēkplantu cikls, kurā darba šķidrums (ūdens) pāriet starp šķidruma un tvaika fāzi; ietver sildīšanu, iztvaikošanu, paplašināšanos un kondensāciju.

Praktiska nozīme un ierobežojumi

Termodinamiskie cikli ir pamats elektroenerģijas ražošanai (Rankine, Brayton), transportam (Otto, Dīzelis) un siltuma pārvaldībai (siltumsūkņi, dzesētāji). Reālāku sistēmu cikli ietver neregulāras zudumu avotus: nerēzmatiskas sasilšanas/aukstināšanas, berzi, siltuma zudumus caur izolāciju u.c., kas samazina reālo efektivitāti salīdzinājumā ar ideālajiem modeļiem. Otrā termodinamikas likuma neizbēgamība nozīmē, ka pastāv fundamentālas robežas, cik lielu daļu no pieejamā siltuma var pārvērst par darbu.

Rezultāts

Termodinamiskais cikls ir centrāls instruments, lai saprastu, analizētu un projektētu ierīces, kas pārveido siltumu un darbu. Izpratne par ciklu ģeometriju diagrammās, likumiem un praktiskajiem ierobežojumiem palīdz optimizēt iekārtu darbību un paredzēt tās potenciālu dažādām lietojumprogrammām.

Klases

Divas galvenās termodinamisko ciklu klases ir enerģijas cikli un siltumsūkņu cikli. Enerģijas cikli ir cikli, kuros daļa ievadītā siltuma tiek pārvērsta mehāniskajā darbā, savukārt siltumsūkņa ciklos siltums tiek pārvietots no zemas uz augstu temperatūru, izmantojot mehānisko darbu.

Termodinamiskie enerģijas cikli

Termodinamiskie enerģijas cikli ir pamatā siltuma dzinēju darbībai, kas nodrošina lielāko daļu pasaules elektroenerģijas un darbina gandrīz visus mehāniskos transportlīdzekļus. Enerģijas ciklus var iedalīt atkarībā no tā, kāda veida siltuma dzinēju tie modelē. Visizplatītākie cikli, kas modelē iekšdedzes dzinējus, ir Otto cikls, kas modelē benzīna dzinējus, un dīzeļa cikls, kas modelē dīzeļdzinējus. Cikli, kas modelē ārējās sadegšanas dzinējus, ir Braitona cikls, kas modelē gāzes turbīnas, un Rankina cikls, kas modelē tvaika turbīnas.

Siltuma dzinēja shēma.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir termodinamiskais cikls?

J: Vai termodinamiskā cikla laikā mainās īpašības?

Vai termodinamiskā cikla laikā siltums un darbs ir nulle?

J: Ko nosaka pirmais termodinamikas likums cikla laikā?

J: Kāpēc cikls ir svarīgs termodinamikas jēdziens?

J: Ko nozīmē termodinamiskais cikls pulksteņrādītāja kustības virzienā?

J: Ko nozīmē pretēji pulksteņrādītāja rādītāja virzienam notiekošs termodinamiskais cikls?

Meklēt pēc burta