8.5. Обратный обратимый цикл Карно

Цикл Карно может протекать не только в прямом, но и в обратном направлении. Цикл состоит из обратимых процессов и в целом является обратимым (рис. 23). Осуществляется обратный обратимый цикл при таких условиях следующим образом.

Рабочее тело от начальной точки 1 расширяется по адиабате 1–4 без теплообмена с внешней средой, при этом температура Т1 уменьшается до Т2. Затем следует дальнейшее расширение газа по изотерме 4–3 с подводом теплоты q2, которое отнимается от источника с низкой температурой Т2. Далее следует адиабатное сжатие 3–2 с увеличением температуры рабочего тела от Т2 до Т1. В течение последнего процесса происходит изотермическое сжатие 2–1, во время которого к теплоприемнику с высокой температурой отводится теплота q1.

Рис. 23. Обратный обратимый цикл Карно

Поскольку в обратном цикле сжатие рабочего тела происходит при более высокой температуре, чем расширение, внешняя работа сжатия больше работы расширения на величину площади 14321 внутри замкнутой линии цикла. Эта работа превращается в теплоту и передается вместе с теплотой q₂ источнику теплоты с температурой Т₁. Таким образом, затратив на осуществление обратного цикла работу l, можно перенести от теплоприемника к теплоотдатчику q₂ единиц теплоты. При этом теплота, получаемая теплообменником, q₁ = q₂ + l.

Машина, работающая по обратному циклу, называется холодильной.

Передача теплоты от источника с низкой температурой к источнику с высокой температурой, в соответствии с постулатом Клаузиуса, обязательно требует затраты энергии (не может совершаться даровым процессом без компенсации). Характеристикой эффективности холодильных машин является холодильный коэффициент:

или для обратного цикла Карно .

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно зависит от абсолютных температур Т₂ и Т₁ источников теплоты и обладает наибольшим значением по сравнению с холодильными коэффициентами других циклов, протекающих в тех же пределах температур. Чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.

Холодильную установку можно использовать в качестве теплового насоса. Если, например, для отопления помещения использовать электронагревательные приборы, то количество теплоты, выделенное в них, будет равно расходу электроэнергии. Если же это количество электроэнергии использовать в холодильной установке, горячим источником, т. е. приемником теплоты q₁, в которой является отапливаемое помещение, а холодным – наружная атмосфера, то количество теплоты, полученное помещением, , где q₂ – количество теплоты, взятое от наружной атмосферы; l_Ц – расход электроэнергии. Понятно, что q₁ > l_Ц, т. е. отопление с помощью теплового насоса выгоднее простого электрообогрева.

Используя цикл Карно, можно рассмотреть еще одну формулировку второго закона термодинамики, предложенную Клаузиусом: теплота не может самопроизвольно (без компенсации) переходить от тел с более низкой к телам с более высокой температурой.