4.2 Принцип дії теплової машин та її коефіцієнт корисної дії (ккд). Друге начало термодинаміки

Теплова машина - пристрій, який багатократно здійснює деякий термодинамічний цикл, результатом якого є перетворення теплової енергії в механічну роботу..

Всяка теплова машина складається із трьох невід’ємних частин: 1) нагрівника з температурою Т₁, як джерела теплової енергії; 2) робочого тіла, як носія енергії і посередника між тепловою і механічною енергіями; 3) холодильника.

Необхідність перших двох частин не викликає сумніву, а третя, холодильник, потребує обгрунтування своєї необхідності. Доведемо необхідність холодильника, тобто необхідність викидання певної кількості теплоти в холодильник, як правило оточуюче середовище. При розширенні газу він виконує певну позитивну роботу. Щоб машина працювала відносно довго, робоче тіло необхідно повернути в початковий стан, затративши на це меншу роботу. Тільки тоді машина буде корисною. Отже зворотний процес стискування робочого тіла повинен пройти нижче, ніж прямий, а значить при нижчій, ніж прямий, температурі. При стискуванні газ нагрівається. Щоб знизити його температуру, необхідно відбирати частину тепла і викидати в холодильник.

Таким чином, ми впевнились, що неможлива теплова машина, яка б повністю перетворювала всю теплоту в роботу.

Така машина називається вічним двигуном другого роду. В цьому полягає суть другого начала термодинаміки.

Слід зауважити, що процес, при якому все тепло перетворюється в роботу є – це ізотермічний процес. Але ж для роботи теплової машини необхідно проводити замкнутий процес, тобто цикл.

Знайдемо вираз для ККД ( η ) теплової машини. На основі закону збереження енергії корисна робота , а затрачена енергія дорівнює Q₁.

За означенням ККД

. (4.1)

4.3 Ідеальна теплова машина Карно та її ккд

У 1824 році французький інженер С.Карно запропонував цикл теплової машини, який складається із двох ізотерм 1→2, 3→4, та двох адіабат 2→3, 4→1. Для знаходження ККД запишемо перше начало термодинаміки для усіх чотирьох процесів:

1;

2;

;

.

Склавши всі рівняння, знайдемо роботу за цикл та його ККД

.

. (4.2)

Запишемо рівняння адіабат

.

Поділимо ці рівняння одне на друге і спростимо. Одержуємо

. Отже, . Тоді формула (4.2) набуде виду

. (4.3)

4.4 Принцип дії холодильної машини. Холодильний коефіцієнт

Холодильна машина, це пристрій, призначенням якого є відбирання тепла від холодного тіла і передача його більш гарячому, тобто охолодження холоднішого тіла. Ця машина працює по оберненому циклу теплової машини. Корисним результатом роботи холодильної машини (теплового насосу) є тепло Q₂, на що затрачається робота . Ефективність роботи холодильної машини характеризує відношення забраної кількості теплоти Q₂ до роботи А, тобто холодильний коефіцієнт

. (4.4)

Звернемо увагу, що холодильний коефіцієнт і що він може приймати будь-яке значення, як менше так і більше одиниці. Чим більший холодильний коефіцієнт, тим ефективніша холодильна машина.

В той же час ККД циклу холодильної машини знаходиться за виразом (4.1), як і теплової машини.