Теплові машини

Тепловими машинами в термодинаміці називаються теплові двигуни і холодильні машини (термокомпресори). 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:

$$\eta ={\dfrac {A}{Q_{1}}}=1-{\dfrac {Q_{2}}{Q_{1}}}$$

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 $(A)$ :

$$\epsilon _{x}={\dfrac {Q_{2}}{A}}$$

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 $\epsilon _{o}$, який визначається як відношення отриманою тілом теплоти $Q_{1}$, що нагрівається, до витраченої для цього механічної роботи, або роботи електричного струму $A$: $$\epsilon _{o}={\dfrac {Q_{1}}{A}}$$

Враховуючи, що $Q_{1}=Q_{2}+A$, встановлюємо зв'язок між опалювальним і холодильним коефіцієнтами установки:

$$\epsilon _{o}=\epsilon _{x}+1$$

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. .

Джерела

• Белоконь Н. И. Термодинамика. — Госэнергоиздат, 1954. — 417 с.

• Кириллин В. А. Техническая термодинамика. — Энергоатомиздат, 1983. — 416 с.