Айналма немесе циклдылық процесстері

Алдында белгілі болғандай, құнсыз сыртқы күй кезіндегі, тік және кері бағыттағы қайтымсыз процесстер өтеді. Процесстердің бағыттылығы және олардың өтуінің жалпы түрін, жылудинамикасының екінші заңымен анықтайды.

Техникалық жылудинамикасында екінші заңды қолданады да, жылулық процесс жағдайы кезіндегі жылулықтың механикалық жұмысқа айналуын анықтайды. Сонымен, жылудинамикасының бірінші заңынан шығатын жылулық пен жұмысаралық, санды қатынастары сақталуы тиіс. Жылулық қозғалтқышында, толассыз жұмыс атқарылуы үшін, айналмалы процесс қажет. Жұмыстық дене А-В-С-Д-А (сурет) тұйықталған қисық сызық бойынша, бірнеше есе өзінің жағдайын өзгертеді және бастапқы жағдайына A қайтадан қайтып келеді. Сонымен, жұмыстық дененің бастапқы және соңғы жағдайы бір біріне ұқсас. A - В - С учаскесіндегі қаралып отырған айналмалы процессінде, жұмыстық дене кеңейеді (тік жүріс) және ол кезде, АВСС₁А₁ ауданында оң кеңею жұмысы атқарылады.

Бүл жұмыстың атқарылуы, q₁ меншікті жылулықты жеткізуде және жылудинамикасының бірінші заңына сәйкес, өтетін U_C - U_A меншікті ішкі энергияның өзгеруіне, сәйкес қатынасы:

• q₁ = U_C - U_A + l_кең

Басқа учаскесінде, жұмыстық дене бастапқы жағдайына A қайта келеді (кері жүріс) (сурет). Бұл жағдайда, ол С-Д-А сызығы бойымен сығылады да, сығылу жұмысының шығыны (l_сығ), көрсетілген СДАА₁С₁ ауданы. Ұқсастық бойынша, тік жүріске мына қатынаспен шығады:

• q'₂ = (U_C - U_A) + l_сығ

Сығылу жұмысы ( l_сығ) мен кеңею ( l_кең) жұмыстарының айырмасы, бір циклдағы қозғалтқыштың пайдалы жұмысын (l) көрсетеді:

• l = l_кең - l_сығ

Бұл процесс, қайтымды ма немесе қайтымсыз процесс пе, оған бағынышсыз. Қайтымды процесс кезінде, бұл меншікті жұмыс санды түрінде, тұйық қисық сызықты А-В-С-Д-А ауданға тең.

Ішкі энергия (Δu=0), жұмыстық дененің бастапқы жағдайына, қайта оралуына байланысты өзгереді.

Циклдың пайдалы жұмысын (l) алу үшін, кеңею жұмысы ( l_кең) сығылу жұмысынан ( l_сығ) көп болуы қажет. Формулалардан анықтаймыз:

• l = q₁ - q₂,

мұндағы, q₁ - кеңею сызығы А-В-С бойынша жеткізілетін меншікті санды жылу; q₂ - сығылу сызығы С-Д-А бойынша, алып кетірілетін меншікті санды жылулық.

Сонымен, айналмалы процессті жүзеге асыру үшін, жылулықты - жұмыстық денеге жеткізілуі және одан алып кетілуі тиіс. Жалпы түріндегі, учаскенің айналмалы процессінде, жылулықты жеткізу, кеңею учаскесімен, ал сол сияқты жылулықты алып кету учаскесінде - сығылу учаскесімен бірдей болмайды, себебі жеткізу процессі мен жылулықты алып кету циклдары, сығылу кезінде өткізілуі мүмкін, сол сияқты кеңеюде де солай. Цикл пішінінің В және Д нүктелеріне, екі адиабатты жанама жүргізсек, онда ол (сурет), екі учаскеге бөлінеді: процесске арналған Д нүктесінің сол жағындағы Д-В учаскесіне, сағат тілі жүрісі бойынша жылулық (q₁) жеткізілуі өтеді және В-Д учаскесінде, Д нүктесінің оң жағы - жылуды алып кетуі (q₂) өтеді. Осы нүктелерде жылулық ағынының таңбалары өзгереді.

Сірә, циклдың барлық пішініне жинақталып жеткізілген жылулықты мына теңдеумен шешеді:

• q = q₁ - q₂ = q₁ - q₂

Демек, циклда атқарылған жұмыс (l), айналмалы процесстегі жұмыстық денеге жеткізілген санды жылулық (q₁) пен осы процес- стен алып кетілген санды жылулықтың (q₂) айырмасына тең, яғни:

• l = q₁ - q₂,

Жылулықты жеткізуге және алып кету үшін, жылулық көздері қажет. Егер жылу көзі жұмыстық денеге жылу берсе, онда оны, жылулық беруші немесе жылулықтың жоғарғы температурасының Т көзі деп атайды, ал егер де, жұмыстық денеден жылу алатын болса, оны жылу қабылдаушы немесе төменгі температуралы Т2 жылулық көзі деп атайды.

Қалай болса, солай алынған қайтымды циклды жүргізу тәсілдері, шексіз көп және әр түрлі температурадағы жылулық көздерін қажет етеді. Бұл жағдайда меншікті санды жылулық q₁ деп, ал барлық жылулық қабылдағыш, жұмыстық дененің q₂ - меншікті санды жылулық беруі.

Сонымен, жылудинамикалық жүйе дегеніміз - айналмалы процессті атқарушы; олар жұмыстың денеден, жұмыс объектісінен, жылулық беруші және жылулық қабылдаушылардан құралады.

Келтірілген сүлбедегі, толассыз әрекеттегі қозғалтқыштың жұмыстық денесі, дәл сол бір, айналмалы процессті қайталайды. Нақтылы жағдайда, жұмыстық дене, әдетте жаңартады (толықтырады), сол жағдайы кезіндегі тең мөлшерде толығуын, оны оқтын - оқтын жаңа алмастыруымен жүргізіледі. Бірақ та, ол, циклдың дәл сол бір жұмыстық денесімен салыстыруы бойынша, циклге айырмашылық енгізбейді және әдетте-жылулық қозғалтқыштарының циклдарын қарастыру кезінде, ол айырмашылықтар есепке алынбайды.

Жоғарыда қарастырылғанға қарағанда, өте маңызды қорытынды шығады, ол жылудинамикасының екінші заңының мазмұнын және оның әр түрлі тұжырымдамасын құрайды.

Жылулықтың жұмысқа айналу кезіндегі толассыз әрекеттегі қозғалтқыш, жылу бергіштің (q₁) жеткізілген санды жылудың, тек қана, бөлігі жұмысқа айналады; қалған бөлігі (q₂) міндетті түрде жылу қабылдағышқа жылулық түрінде қайта берілуі тиіс. Жылудың бүл бөлігі қозғалтқыштағы қайтымды немесе қайтымсыз процесске байланыссыз, жылудың жұмысқа айналуындағы жоғалуы жүреді. Сонымен, жылудың жұмысқа айналуы үшін, жылу бергіш болуы қажет. Ол жұмысшы денеге жылу беріп және жылу қабылдағыш жұмысшы денеден жылулықты қабылдайды.

Мұндай қозғалтқышта, жылу бергіштен жеткізілген барлық жылулық, түгелімен жұмысқа айналуын Кельвин мәңгілік қозғалтқыштың екінші түрі (рода) деп атады. Тәжірибе негізінде, екінші заң - мәңгілік қозғалтқыштың, екінші түрі мүмкін еместігін анықтайды.

Толассыз әрекеттегі қозғалтқышқа, жылу берудегі жылуының толық жұмысқа айналуы мүмкін емес.

Бүл тұжырымдауға ол да және тік пен кері бағыттағы жылулық процесстерінің бірдей еместігін қарастырады. Осыған байланысты, жылудың жұмысқа айналу бағыты (q —> l), өздігінен пайда болмайтын бағытта деп аталатыны, міндетті түрде орнын толтыра, өздігінен пайда бола өтуінің, жылу көзінен жылудың жоғарғы T] температурамен жылулық көзінің Т₂, (Т₁ —> Т₂) температурамен өткендігі.

Жылулық циклының бағалануына арналған, алмағайып көрсеткіші болып - ПӘК саналады да, санды жылулықтың пайдалы жұмысқа түрленуінің, жеткізілген жылулық санына қатынасы жатды. Егер, циклдар қайтымды процесстерден тұратын болса, онда оны идеалды циклдар деп, ал оның ПӘК - термиялық деп аталады. $\eta =L/Q_{1}=(Q_{1}-Q_{2})/Q_{1}=1-Q_{2}/Q_{1}$. Сонымен, термиялық ПӘК циклы, әр уақытта бірден кем, себебі q₂>0. Бұл нақтылы жағдайдағы айналмалы процесс кезінде, сөзсіз болатын шығын, кейде өте көп циклге жеткізілетін жылулықты (q₁) 50.....75% құрайды.

Жылудинамикасында, сонымен бірге кері циклды қарас- тырады. Оның өзіне тән қасиеті, сығылу (l_сығ) жұмысы, кеңею (l_кең) жұмысына қарағанда көп. Бұл жұмыста, цикл пішінімен шектелгенде, цикл жұмысын жүзеге асыруға жұмсалады. Дәл осындай циклмен, тоңазытқыш қондырғылар немесе қондырғылар жұмыс істейді, ондағы жылулықты, сұйық сорғы деп аталатын қондырғыны пайдалану жолымен, дененің ең төменгі температурасынан жылулықты алып кету, денеге жоғарғы температурамен жеткізу арқылы, іске асырылады (өздігінен пайда болмайтын бағытта).

Егер, идеалды газдар процессіне арналған суреке сәйкес, формулаға n=const шамасын қойып, меншікті жылу сыйымдылығының келесі, тұрақты шамаларын аламыз: изохорлы процесстер үшін (n=±∞) c=c_ν; изобарлы процесстер үшін (n=0) с=с_р; изотермиялық процесстер үшін (n= 1) с =±∞; изоэнтропиялы процесстер үшін (n = к) с = 0.

k>n> 1 кезінде, меншікті жылу сыйымдылығы теріс таңбада болады. Осының көрсеткеніндей, процесстердегі сала үшін көрсетілген n шамаларынан, dq және dT өзгеруі, әр түрлі алгебралық таңбаларында болады. Онда, жылуды жеткізу есебінен кеңеюі кезінде және жарым - жартылай ішкі энергияның кему есебінен, яғни температураның төмендеуінен (dq<dT) жұмыс орындалады.

Зерттеулерді жеңілдету үшін, жұмыстық дененің қайтымсыз жағдайының өзгеруінен, шартты түрдегісін, қайтымдының сол соңғы жағдайымен алмастырады. Мысалы, газдың ағуындағы үйкелісті, жылу ажыратылған кезіндегі, қайтымсыз өзгеру күйін шамамен политропты түріндегі теңдеуімен есептелінеді. Сонымен, тұрақты көрсеткіш n=const деп қабылдайды, ол процесс үшін орташа шамадағы көрсеткішке тең.

Егерде, жылу қабылдағыштан меншікті мөлшерлі жылу бөлінсе және жылубергішке (q₁) беретін болса және бұл кезде меншікті жұмыс (l) атқарылса, онда q₁- q₂- жылуды (q₂) алып кетуге жұмсалатын меншікті жұмыс. Идеалды цикл үшін

• $\epsilon =q_{2}/l=q_{2}/(q_{1}-q_{2})$

Осыған орай, мынадай сұрақ туындайды: қандай цикл жетілген және бұл кезде қандай жағдайлар сақталуы керек? Теориялық циклдың ең жоғарғы мүмкінді термиялық ПӘК болатын, берілген аралық температура болу жағдайын, француз ғалымы Николя Леонар Сади Карно 1824 ж. үсынған.