termodynamiczny obieg

termodynamiczny obieg, cykl termodynamiczny, obieg cieplny, cykl cieplny,

fiz. przebiegający cyklicznie zespół procesów termodynamicznych, po wykonaniu których układ termodynamiczny (często zw. ciałem roboczym lub czynnikiem termodynamicznym) wraca do stanu początkowego;

jeśli o.t. jest procesem kwazistatycznym, to jego graficznym obrazem na wykresie termodynamicznym jest zamknięta krzywa.

W zależności od znaku całkowitej pracy L wykonanej przez ciało robocze w o.t. rozróżnia się obiegi proste (L > 0) i odwrotne (L < 0). O.t. proste opisują pracę silników cieplnych, odwrotne — urządzeń chłodniczych lub pomp cieplnych. Sprawnością cieplną (termiczną) o.t. prostego nazywa się stosunek η = L/Q₁, gdzie Q₁ jest ilością ciepła pobranego przez ciało robocze. Zgodnie z I zasadą termodynamiki (termodynamiki zasady) sprawność obiegu nie może być większa od jedności. Ograniczenia wynikające z II zasady termodynamiki formułuje się wykorzystując o.t. wprowadzony 1824 przez N.L.S. Carnota. O.t. Carnota składa się z 2 procesów izotermicznych przedzielonych procesami adiabatycznymi. W pierwszym procesie izotermicznym ciało robocze pobiera ciepło Q₁ od grzejnika o temp. T₁, w drugim zaś oddaje część Q₂ tego ciepła chłodnicy o temp. T₂ (T₂ < T₁). Zgodnie z II zasadą termodynamiki sprawność η odwracalnego obiegu Carnota nie zależy od ciała roboczego i jest określana jedynie przez temp. bezwzględne T₁, T₂ grzejnika i chłodnicy: η = 1 − T₂/T₁. Również zgodnie z tą zasadą w danym zakresie temp. największą sprawność ma odwracalny o.t. Carnota.

Dla każdego silnika lub maszyny cieplnej, działających w sposób ciągły lub okresowy, można utworzyć teoret. o.t., zw. obiegiem porównawczym, z którym porównuje się rzeczywiste procesy zmian; w obiegach porównawczych silników spalinowych tłokowych spalanie paliw zastąpiono umownie doprowadzaniem ciepła — przy stałej objętości w obiegu Otta (A. Beau de Rochas 1862, N.A. Otto 1866), przy stałym ciśnieniu w obiegu Diesla (1893), a częściowo przy stałej objętości i częściowo przy stałym ciśnieniu w obiegu Sabathégo (Seiligera). Usuwanie spalin z cylindra zastąpiono odprowadzaniem ciepła przy stałej objętości; obieg Otta jest obiegiem porównawczym dla silników spalinowych tłokowych z zapłonem iskrowym, obieg Diesla — obiegiem porównawczym dla silników spalinowych tłokowych z zapłonem samoczynnym i wtryskiem paliwa za pomocą sprężonego powietrza, obieg Sabathégo — dla silników spalinowych tłokowych z zapłonem samoczynnym i wtryskiem paliwa za pomocą pompy wtryskowej. Obiegi porównawcze silników spalinowych turbinowych i odrzutowych cechuje odprowadzenie ciepła przy stałym ciśnieniu; w obiegu Braytona (1850) ciepło jest doprowadzane przy stałym ciśnieniu, a w obiegu Humphreya — przy stałej objętości. W obiegach silników spalinowych turbinowych może być zastosowane stopniowe sprężanie z chłodzeniem międzystopniowym i stopniowe rozprężanie z podgrzewaniem międzystopniowym, np. w postaci dopalania w silnikach odrzutowych, a także regeneracja (techn. ) ciepła. Obiegiem porównawczym siłowni parowej z turbiną jest obieg Clausiusa–Rankine’a, a obiegiem porównawczym siłowni parowej z silnikiem tłokowym — obieg Meyera; obieg Clausiusa–Rankine’a składa się z izochorycznego sprężania cieczy w pompie, izobaryczno-izotermicznego wytwarzania pary nasyconej suchej, izobarycznego wytwarzania pary przegrzanej w kotle parowym, adiabatyczno-izentropowego rozprężania pary w turbinie i izobaryczno-izotermicznego skraplania pary wilgotnej w skraplaczu. W parowym silniku tłokowym ekspansja pary jest ograniczona maks. objętością cylindra, czemu w obiegu Meyera odpowiada dodatkowa przemiana izochoryczna.

Termodynamiczny obieg, obiegi porównawcze silników w układzie ciśnienie p, objętość właściwa v (strzałkami zaznaczono doprowadzenie i odprowadzenie ciepła): 1 Carnota, 2 Clausiusa-Rankine’a, 3 Meyera, 4 Otta, 5 Diesla, 6 Sabathégo, 7 Humphreya, 8 Braytona, 9 z dopalaniem