Идеальная холодильная машина

Цикл Карно обратим, поэтому его можно провести в обратном направлении. Это будет уже не тепловая машина, а идеальная холодильная машина.

Процессы пойдут в обратном порядке. Работа А совершается для приведения в действие машины. Количество теплоты Q₁ передается рабочим телом нагревателю более высокой температуры, а количество теплоты Q₂ поступает к рабочему телу от холодильника (рис. 5.17). Теплота передается от холодного тела к горячему, поэтому машина и называется холодильной.

Рис. 5.17

Но второму закону термодинамики это не противоречит: теплота переходит не сама собой, а за счет совершения работы.

Выразим количества теплоты Q₁ и Q₂ через работу А и КПД машины η. Так как согласно формуле (5.12.3) А' = ηQ₁ = -A, то

(5.12.6)

Передаваемое рабочим телом количество теплоты, как всегда, отрицательно. Очевидно, |Q₁| =— . Согласно выражению (5.12.4) количество теплоты Q₂ = Q₁(η - 1) или с учетом соотношения (5.12.3)

(5.12.7)

Такое количество теплоты получает рабочее тело от холодильника.

Холодильная машина работает как тепловой насос*. Горячему телу передается количество теплоты Q₁, большее того количества, которое забирается от холодильника. Согласно формуле (5.12.7) Q2 =— - А = -Qj -А. Отсюда

(5.12.8)

* Однако это не означает, что холодильная машина и тепловой насос — это одно и то же. Назначение холодильной машины — охлаждать некоторый резервуар, передавая теплоту в окружающую среду. Назначение теплового насоса — нагревать резервуар, забирая теплоту из окружающей среды.

Эффективность холодильной машины определяется отношением , так как ее назначение отнимать как можно большее количество теплоты от охлаждаемой системы при совершении как можно меньшей работы. Величина ε называетсяхолодильным коэффициентом. Для идеальной холодильной машины согласно формулам (5.12.7) и (5.12.2)

(5.12.9)

т. е. холодильный коэффициент тем больше, чем меньше разность температур, и тем меньше, чем меньше температура того тела, от которого отбирается теплота. Очевидно, холодильный коэффициент может быть больше единицы. Для реальных холодильников он более трех. Разновидностью холодильной машины является кондиционер, который забирает теплоту из комнаты и передает ее окружающему воздуху.

Тепловой насос

При отоплении помещений электрообогревателями энергетически выгоднее использовать тепловой насос, а не просто нагреваемую током спираль. Насос дополнительно будет передавать в помещение количество теплоты Q₂ из окружающего воздуха. Однако это не делают из-за дороговизны холодильной установки по сравнению с обычной электрической печкой или камином.

При использовании теплового насоса практический интерес представляет количество теплоты Q₁, получаемое нагреваемым телом, а не количество теплоты Q₂, отдаваемое холодному телу. Поэтому характеристикой теплового насоса является так называемый отопительный коэффициент .

Для идеальной машины, учитывая соотношения (5.12.6) и (5.12.2), будем иметь

(5.12.10)

где Т₁ — абсолютная температура нагреваемого помещения, а Т₂ — абсолютная температура атмосферного воздуха. Таким образом, отопительный коэффициент всегда больше единицы. Для реальных устройств при температуре окружающей среды t₂ = 0 °С и температуре помещения t₁ = 25 °С ε_от = 12. В помещение передается количество теплоты, почти в 12 раз превышающее количество затраченной электроэнергии.