Вопросы для самопроверки

1. В чем заключаются физические основы охлаждения? 2. Дайте определение физических явлений, лежащих в основе получения низких температур.

Тема 1.2. Термодинамические основы холодильных машин

Сущность термодинамического анализа холодильных машин. Первый и второй законы термодинамики. Обратный цикл. Оценка термодинамической эффективности цикла. Обратимые и необратимые циклы. Определение степени термодинамического совершенства холодильной машины.

Методические указания

Задача термодинамического анализа холодильных машин, основанного на первом и втором законах термодинамики, состоит в том, чтобы выяснить предельно возможную эффективность циклов холодильных машин и указать на те элементы машины, улучшение которых способно больше всего повлиять на рост общей эффективности.

Первый закон термодинамики устанавливает принцип эквивалентности в термодинамических процессах преобразования тепла в механическую работу

,

где: – количество тепла, сообщенное системе, Дж; – значение внутренней энергии в конечном состоянии, Дж; – значение внутренней энергии в начальном состоянии, Дж; – работа, совершаемая системой над другими телами, Дж.

Второй закон термодинамики указывает на направление процесса переноса тепла указывает, который говорит, что тепло само собой переходит лишь от тела более нагретого к телу менее нагретому, но не наоборот. Переход тепла от тела с меньшей температурой возможен только с затратой работы:

,

где: – количество тепла, переданное нагретому телу, Дж (источнику высокой температуры); – количество тепла, отнятое от холодного тела, Дж (отводится от источника низкой температуры), Дж; – работа, затраченная на передачу тепла (тепловой эквивалент энергии, подведенной извне), Дж.

Обратный круговой термодинамический процесс – цикл, в результате которыого теплота переходит от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой за счёт затраты работы.

Холодильный цикл – обратный термодинамический процесс, в котором теплота от источника низкой температуры (охлаждаемого объекта) передается окружающей среде. Холодильная машина, работающая по холодильному циклу, служит для охлаждения какой-либо среды или поддержания низкой температуры в охлаждаемом помещении.

Цикл теплового насоса – обратный термодинамический процесс, в котором теплота от окружающей среды передается источнику с более высокой температурой (нагреваемому объекту). Холодильная машина, работающая по циклу теплового насоса, служит для нагрева какой-либо среды.

Комбинированный цикл – цикл холодильной машины, в котором теплота от источника низкой температуры передается источнику высокой температуры.

Термодинамическая эффективность

• холодильного цикла характеризуется холодильным коэффициентом:

;

• цикла теплового насоса определяется отопительным коэффициентом:

;

• комбинированного цикла оценивается холодильным и отопительным коэффициентами и .

Процесс называют обратимым, если после его завершения тела, принимавшие участие, могут быть возвращены в первоначальное состояние и при этом какие-то дополнительные изменения не возникнут.

Процессы, которые не удовлетворяют этим условиям, называются необратимыми.

Источниками необратимости холодильных машин являются:

• внутреннее трение частиц рабочего тела, трение в элементах машины;

• дросселирование;

• диффузия;

• передача теплоты, происходящая при конечной разности температур;

• неравновесные фазовые превращения;

• смешение различных компонентов.

Необратимость может быть внутренняя и внешняя.

Внутренне обратимым процессом можно считать процесс, в котором соблюдаются условия равновесия внутри тела, отсутствуют внутреннее трение и диффузия, не происходит смешения и химических реакций.

В том случае, когда выполняются условия равновесия между рабочим телом и окружающей средой, процесс называется внешне обратимым. Все без исключения процессы, происходящие в элементах холодильной машины, осуществляющей обратный круговой процесс необратимы как внутренне, так и внешне.

Степень термодинамического совершенства определяется коэффициентом обратимости:

,

где: – минимальная работа, работа обратного обратимого идеального цикла; – работа реального цикла; – суммарное увеличение работы цикла, вызванное необратимостью процессов.