Теплові машини

Тепловими машинами в термодинаміці називаються теплові двигуни і холодильні машини (термокомпресори)Шаблон:Sfn. Різновидом холодильних машин є теплові насоси.

Вибір принципу дії теплової машини ґрунтується на вимозі безперервності робочого процесу і необмеженості його в часі. Ця вимога несумісна з односторонньо спрямованою зміною стану системи, при якому монотонно змінюються її параметри. Єдиною, практично здійснимою, формою зміни системи, що задовольняє цій вимозі, є круговий процес, або круговий цикл, що періодично повторюється. Для функціонування теплової машини потрібні наступні складові: джерело з більш високим температурним рівнем $t_1$, джерело з більш низьким температурним рівнем $t_2$ і робоче тіло.

Рис.1. Теплові машини

Теплові двигуни здійснюють перетворення тепла на роботу. У теплових двигунах джерело з більш високим температурним рівнем має назву нагрівник, а джерело з більш низьким температурним рівнем ─ холодильником. Необхідність наявності нагрівача і робочого тіла зазвичай не викликає сумнівів, що ж до холодильника, як конструктивної частини теплової машини, то він може бути відсутнім. В цьому випадку його функцію виконує довкілля, наприклад, на транспортних двигунах. В теплових двигунах використовується прямий цикл A, схема якого показана на рис.1. Кількість теплоти $(Q_1)$ підводиться з джерела вищої температури ─ нагрівника $(t_1)$ і частково відводиться $(Q_2)$ до джерела нижчої температури ─ холодильника $(t_2)$.

Робота, зроблена тепловим двигуном, згідно першому закону термодинаміки дорівнює різниці кількостей тепла підведеного $Q_1$ і відведеного $Q_2$.

$$A=Q_1-Q_2$$

Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигуна називається відношення виконаної роботи до подведенному ззовні кількості тепла:

$$\eta =\frac{A}{Q_1}=1-\frac{Q_2}{Q_1}$$

В холодильних машинах та теплових насосах використовується оборотний цикл ─ B. У цьому циклі відбувається перенесення кількості теплоти $(Q_2)$ від джерела нижчої температури $(t_2)$ до джерела вищої температури $t_1$ (рис.1). Для здійснення цього процесу витрачається зовнішня робота $(A)$, що підводиться до холодильної машини.

$$A=Q_1-Q_2$$

Ефективність роботи холодильних машин визначається величиною коефіцієнта холодопродуктивності, що являє собою відношення відібраної від охолоджуваного тіла кількості теплоти $(Q_2)$ до витраченої механічній роботи $(A)$ :

$${ϵ}_x=\frac{Q_2}{A}$$

Холодильна машина може бути використана не тільки для охолодження різних тіл, але і для опалення приміщень. Дійсно, навіть звичайний побутовий холодильник, охолоджуючи поміщені в ньому продукти, одночасно нагріває повітря в кімнаті. Принцип дії, що лежить в основі сучасних теплових насосів, полягає в використанні оборотного циклу теплової машини для перекачування теплоти з довкілля в опалювальне приміщення. Основна відмінність теплового насоса від холодильної машини полягає в тому, що теплота $Q_1$ підводиться до тіла, що нагрівається, наприклад, до повітря опалюваного приміщення, а теплота $Q_2$ віднімається від менш нагрітого довкілля.

Ефективність теплового насоса характеризується коефіцієнтом перетворення (трансформації) або, як часто називають, опалювальним коефіцієнтом ${ϵ}_o$, який визначається як відношення отриманою тілом теплоти $Q_1$, що нагрівається, до витраченої для цього механічної роботи, або роботи електричного струму $A$: $${ϵ}_o=\frac{Q_1}{A}$$

Враховуючи, що $Q_1=Q_2+A$, встановлюємо зв'язок між опалювальним і холодильним коефіцієнтами установки:

$${ϵ}_o={ϵ}_x+1$$

Оскільки теплота, що відводиться від навколишнього середовища $Q_2$ завжди відмінна від нуля, то ефективність теплового насоса, відповідно з її визначенням, буде більше одиниці. Цей результат не суперечить другому закону термодинаміки, який забороняє повне перетворення тепла в роботу, але не забороняє зворотний процес ─ повного перетворення роботи в тепло. Перевага теплового насосу порівняно з електронагрівачем полягає в тому, що на нагрів приміщень використовується не тільки перетворена в теплоту електроенергія, але і теплота, відібрана від довкілля. З цієї причини ефективність теплових насосів може бути набагато вище звичайних електронагрівачів. Шаблон:Sfn.

Джерела

• Шаблон:Книга

• Шаблон:Книга