Рассмотрим работу теплового поршневого двигателя. В цилиндре с подвижным поршнем находится рабочее тело - газ. От источника тепла, имеющего температуру Те выше температуры окружающей среды (это источник называют верхним, горячим источником или нагревателем)
, к рабочему телу подводится тепло, при этом рабочее тело расширяется и преодолевает силу, приложенную к поршню, следовательно, рабочее тело делает работу для приведения в движение механизмам, машинам или электрическом генератора, которые соединены с поршнем. Рассмотрим этот процесс на Pv-диаграмме (рис. 1.14).
Изобразим процесс расширения газа в виде кривой 1-3-2, тогда площадь многоугольника 1-3-2-5-4 будет равна работе расширения li. С переходом поршня в крайнее положение расширение заканчивается. Чтобы двигатель продолжил работу, необходимо, чтобы поршень вернулся в исходное положение, а газ - в исходное состояние. Для этого при обратном ходе поршня газ в цилиндре нужно сжать, то над ним нужно сделать работу И2. Для этого помимо источника тепла Ti нужно иметь еще один источник тепла T2, которому рабочее тело могло бы отдавать тепло. Это второй источник тепла называют ниже или холодным источником, а также холодильником. Таким образом, после возвращения поршня в исходное положение, а газа в исходное состояние, происходит круговой процесс работы двигателя; иначе его называют циклом. Круговой процесс может повторяться и продолжаться настолько долго, насколько нужно. Такой двигатель, работающий по описанным круговыми процессами - периодами, называется периодически действующим. Характерным в работе такого двигателя оказывается то, что на некоторой части изменений состояния рабочего тела (цикла) к нему от горячего источника подводится некоторое количество теплоты qi, а на другой части некоторое количество теплоты q2 отводится до холодного источника.
Следует отметить, что общая работа цикла, которую называют полезной, будет равняться разнице работ li и I 2 (l = li - И2), а общее количество теплоты цикла, которую называют полезной теплотой, - разницы теплот qi и
q2 (q = qi - q2).
Возвращение рабочего тела в исходное состояние возможно тремя путями:
1) процесс сжатия происходит по линии 2-3-1. В этом случае работа сжатия равна работе расширения (и2 = ii), то есть мы не получаем полезной работы, общая работа цикла равна нулю;
2) процесс сжатия происходит выше линии 1-3-2 через точку 6. В этом случае работа сжатия, равной площади 1-6-2-5-4, будет больше работы расширения (и2> li). Для выполнения такого цикла мы затратить дополнительную энергию, то есть общая работа цикла будет отрицательным. Циклы, в которых работа сжатия больше работы расширения, называют обратными циклами; по такой схеме работают холодильные установки;
3) процесс сжатия происходит ниже линии 1-3-2, через точку 7. В этом случае работа сжатия, равной площади 1-7-2-5-4, будет меньше работы расширения (и2 <li). При выполнении такого цикла мы получаем положительную работу. Циклы, в которых работа расширения больше работы сжатия, называют прямыми циклами; по такой схеме работают тепловые двигатели (ДВС, ГТУ и др..).
Рассмотрим более подробно прямой цикл. Согласно первому закону термодинамики (1.51) q = l + Au. Так как рабочее тело возвращается в исходное состояние, изменение внутренней энергии равно нулю. Отсюда для термодинамического цикла q = l.