4.Тепловой насос

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).

Вопрос 36.

1.Идеальный равновесный цикл, цикл Карно

Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей T₁ и холодильников T₂, наибольшим КПД обладают обратимые машины. При этом КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников, равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела, а определяются только температурами нагревателя и холодильника.  Д ля построения рабочего цикла использует обратимые процессы. Например, цикл Карно состоит из двух изотерм (1–2, 2-4) и двух адиабат (2-3, 4–1), в которых теплота и изменение внутренней энергии полностью превращаются в работу.

Рассмотрим изменение энтропии рабочего тела. Общее изменение энтропии в цикле: ΔS=ΔS₁₂+ΔS₂₃+ΔS₃₄+ΔS₄₁  Так как мы рассматриваем только обратимые процессы, общее изменение энтропии ΔS=0.  Последовательные термодинамические процессы в цикле Карно:  Общее изменение энтропии в равновесном цикле:  ΔS=(|Q₁|/T₁)+0-(|Q₂|/T₂)+0=0⇒T₂/T₁=|Q₂|/|Q₁|,

поэтому: η_max=1-(T₂/T₁) - максимальный КПД теплового двигателя.  Следствия:  1. КПД цикла Карно не зависит от рода рабочего тела.  2. КПД определяется только разницей температур нагревателя и холодильника.  3. КПД не может быть 100% даже у идеальной тепловой машины, так как при этом температура холодильника должна быть T₂=0, что запрещено законами квантовой механики и третьим законом термодинамики.  4. Невозможно создать вечный двигатель второго рода, работающий в тепловом равновесии без перепада температур, т.е. при T₂=T₁, так как в этом случае η_max=0. 

2.Равновесный тепловой процесс — тепловой процесс, в котором система проходит непрерывный ряд бесконечно близких равновесных термодинамических состояний.

Равновесный тепловой процесс называется обратимым, если его можно провести обратно и в телах, окружающих систему, не останется никаких изменений.

Реальные процессы изменения состояния системы всегда происходят с конечной скоростью, поэтому не могут быть равновесными. Реальный процесс изменения состояния системы будет тем ближе к равновесному, чем медленнее он совершается, поэтому равновесные процессы называют квазистатическими.