Kružni termodinamički proces

Carnotov ciklus kao toplinski stroj, prikazano na dijagramu temperatura – entropija. Ciklus se odvija između ogrjevnog spremnika temperature T_H i rashladnog spremnika temperature T_C. Na apscisi je entropija, a na ordinati temperatura.

Rankineov ciklus kao primjer kružnog termodinamičkog procesa.

Kružni termodinamički proces ili kružni proces je niz promjena stanja nekog termodinamičkog sustava, koje se periodički ponavljaju, a pritom sustav uvijek iznova dolazi u početno stanje. U termodinamici se posebno navodi Carnotov kružni proces. To je reverzibilni proces u kojem radni sustav prolazi kroz dva izotermna i dva adijabatska procesa (izoprocesi) prije nego što ponovno dođe u početno termodinamičko stanje. Sustav najprije izotermnim rastezanjem prima toplinsku energiju od toplinskoga spremnika temperature T₁, a zatim adijabatskim rastezanjem dođe do temperature T₂ hladnijega toplinskog spremnika. U ta dva stupnja sustav obavlja rad nad okolinom. Treći je stupanj izotermna kompresija na temperaturi T₂, pri čem sustav predaje toplinu hladnijemu spremniku. Do početnoga stanja na temperaturi T₁ sustav dolazi adijabatskom kompresijom. U potonja dva stupnja okolina obavlja rad nad sustavom, ali je on po iznosu manji od onoga iz prva dva stupnja. Toplinski stroj koji radi po Carnotovu kružnom procesu ima stupanj djelovanja:

$\eta ={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}}}$

koji ne ovisi o radnoj tvari, već ovisi samo o temperaturama. Nijedan stroj ne može imati veći stupanj djelovanja od toga ako radi između istih temperatura. To je Carnotov teorem, temelj drugoga zakona termodinamike.

Kružni procesi se vrlo često prikazuju u $(p,V)$ i $(T,S)$ dijagramima. Na gornjoj desnoj slici prikazan je desnokretni Carnotov proces u $(T,S)$ dijagramu. Površina omeđena linijama kružnog procesa prikazana u $(p,V)$ i $(T,S)$ dijagramima uvijek je jednake veličine (ne i istog oblika) ukoliko se radi o istom kružnom procesu. To svojstvo kružnih procesa se može zaključiti iz temeljne termodinamičke relacije

$dU=TdS-pdV$.

Kružni proces kod parnih strojeva

Toplinska energija vodene pare pretvara se u mehanički rad u parnim strojevima kod kojih je nosilac topline vodena para. Vodena para se razvija u parnom kotlu (generator pare) kojem se izgaranjem goriva dovodi toplina. Iz parnog kotla odlazi para u parni stroj gdje adijabatski ekspandira na niži tlak, pa se dio toplinske energije (kinetička energija pare) pretvara u mehanički rad. Odušna para, to jest para koja izlazi iz parnog stroja nakon izvršenog rada, odlazi u parni kondenzator, gdje vlada niža temperatura i pripadajući tlak kondenzacije. U parnom kondenzatoru se pari ohlađivanjem odvodi toplina i para se pretvara u kondenzat, to jest u vodu. Ta neiskorištena količina topline je uvijek manja od količine topline koja se dovodi parnom kotlu. Kondenzat se iz parnog kondenzatora siše i tlači pomoću sisaljke natrag u parni kotao. Odnos između količine topline koja se pretvorila u mehanički rad i primljene količine topline naziva se termički ili toplinski stupanj iskoristivosti kružnog procesa. On je viši što je viša temperatura pare u parnom kotlu i što je niža temperatura vode u parnom kondenzatoru.

Na slici je prikazan desnokretni Rankineov proces , koji je najsličniji proces Carnotovom procesu. Rankineov proces se izvršava pomoću dvije izentrope i dvije izobare (tlak je konstantan u parnom kotlu i kondenzatoru), ali zbog toga što radna tvar (voda) mijenja svoje agregatno stanje u ta dva aparata, proces je također i izoterman, a to je točno ono što fali kako bi izgledao kao pravi Carnotov proces.