Термодинамический процесс представляет собой непрерывное изменение состояния системы, происходящее в результате взаимодействия её с окружающей средой.

Одним из примеров термодинамического процесса является работа газа.

Работа газа

F = pS, Н – сила, действующая на поршень при подводе тепла; 

 L = pSΔh, Дж – работа, совершаемая газом;  

 SΔh = ∆V – изменение объёма; L = p∆V, Дж

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики (закон сохранение энергии): Энергия не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одного состояния в другое в эквивалентных количествах.

Q = ∆U + p∆V ,Дж

∆U – изменение внутренней энергии, Дж

∆U = Mc_v(T₂ – T₁)

Второй закон термодинамики (определяет условия, при которых возможно преобразование одного вида энергии в другой) – формулировка по Клаузису: «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более тёплому».

Удельная энтальпия – количество теплоты, необходимой для нагревания в изобарном процессе 1 кг газа от 0 до t⁰С:

h =c_pmt, Дж/кг

Энтальпия: H = Mc_p(t₂ – t₁), Дж

Энтропия – величина, изменение которой dS в элементарном процессе равно отношению бесконечно малого количества теплоты Q, сообщённой 1 кг газа, к термодинамической температуре Т:

dS =  , Дж/кг.К

Круговые циклы

Последовательный ряд процессов, во время которых тело, претерпев ряд изменений, возвращается в первоначальное состояние, называют круговым процессом или циклом.

Например, цикл преобразования теплоты в механическую работу в ДВС. Здесь подвод тепла осуществляется в процессе сгорания топлива, а процесс отвода тепла осуществляется выпуском отработавшего газа или пара

L₀ = L₁ – L₂ –полезная работа

L₁ – работа расширения

L₂ – работа сжатия

Q ₀ = L ₀ =( Q ₁ - Q ₂ ) – полезно использованная теплота

η_t =

Проанализируем цикл: т.к. в круговом процессе рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, то его внутренняя энергич не изменяется. Если в процессе расширения тело получает тепло Q₁, а при сжатии отдаст Q₂, то в виде тепла в цикле исчезает (Q₁-Q₂). При неизменной внутренней энергии согласно первого закона термодинамики теплота может быть преобразована только в работу.

Экономичность теплового двигателя оценивают с помощью термического КПД.

КПД зависит от количества подведённой и отведённой теплоты, которые в свою очередь определяются процессами, образующими цикл. Из этого следует, сто подбором процессов можно влиять на экономичность двигателя.

Самым экономичным является цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

Количество подведенного тепла

Теплота цикла

К.п.д. цикла Карно     

Изотермический процесс, т.к. максимально возможное количество теплоты преобразуется в работу.

Адиабатный процесс, т.к. работа совершается за счёт внутренней энергии и отсюда максимальный КПД.

1-2 - расширение по изотерме за счёт подвода тепла

2-3 - расширение по адиабате за счёт изменения внутренней энергии

3-4 - сжатие по изотерме (минимальное количество затраченной работы)

4-1 - сжатие по адиабате

Работа, совершаемая газом – площадь 1-2-3-3^|-1^|-1

Полезная работа: L_пол = L_расш – L_сж, площадь 1-2-3-4-1