Холодильные машины.

В холодильных машинах используются обратные циклы, т.е. циклы идущие против часовой стрелки в направлении 1b2а1 (см. рис.). Примерами холодильных машин являются холодильная установка и тепловой насос.

Цель работы холодильной установки - поддержание в холодильной камере температуры, которая ниже температуры окружающей среды. В качестве рабочего тела в них обычно используются пары легкокипящих жидкостей (аммиак, фреон и т. д.). На участке 1b2 рабочее тело расширяется, получая тепло Q₂ от холодильной камеры с температурой Т₂. На участке 2а1 происходит сжатие рабочего тела с отдачей тепла Q₁ окружающей среде с температурой Т₁>Т₂. Работа, совершенная за цикл рабочим телом,

< 0,

т. е. работу совершают внешние силы, обычно за счет энергии электрической сети: .

Эффективность холодильной установки характеризуют холодильным коэффициентом

,

который может быть и больше 1.

Холодильная установка может быть использована в качестве теплового насоса для отопительных целей. В этом случае эффективность оценивается коэффициентом перекачки тепла

.

При отсутствии потерь энергии в тепловом насосе

,

т. е. тепло Q₁, передаваемое окружающей среде, оказывается больше, чем А_внеш, определяемая энергией, полученной от электрической сети.

Цикл Карно.

Особое место в термодинамике занимает цикл, предложенный французским инженером Сади Карно и называемый циклом Карно. Этот цикл состоит из двух изотермических и двух адиабатных процессов (см. рис.). В качестве рабочего тела рассматривается идеальный газ. В случае прямого цикла: 1-2 - изотермическое расширение при температуре нагревателя Т₁; 2-3 - адиабатное расширение; 3-4 - изотермическое сжатие при температуре охладителя Т₂; 4-1 - адиабатное сжатие. Цикл Карно представляет собой идеализацию цикла реальной тепловой машины. Предполагается, что все процессы в нем равновесные (т. е. происходят квазистатически).

Найдем выражение для КПД идеального цикла Карно. Работа, совершенная за цикл, равна

.

Используя закон Бойля-Мариотта и уравнение Пуассона, можно доказать, что

.

Тогда .

Количество теплоты, полученное от нагревателя, равно

.

Следовательно, КПД идеального прямого цикла Карно

.

Особое значение цикла Карно в термодинамике связано с тем, что для него КПД имеет наибольшее значение среди всех циклов при заданных температурах нагревателя и охладителя.

Для холодильной установки, использующей обратный цикл Карно, холодильный коэффициент равен

.

Коэффициент перекачки тепла теплового насоса с циклом Карно

.

Обратимые и необратимые процессы.

Процесс перехода системы из одного состояния в другое называется обратимым, если можно провести его в обратном направлении так, чтобы и система, и окружающие ее тела вернулись в исходное состояние, проходя ту же самую последовательность промежуточных состояний, но в обратном порядке. Если это невозможно, то процесс называется необратимым.

Примером необратимого процесса является переход тепла от нагретого тела к холодному. Известно, что при тепловом контакте тел этот процесс происходит самопроизвольно. Обратный же процесс самопроизвольно произойти не может.

Другой пример необратимого процесса - переход кинетической энергии движущегося тела во внутреннюю при торможении его под действием силы трения. При этом механическая энергия переходит в энергию хаотического движения молекул самопроизвольно. Опыт показывает, что обратный процесс самопроизвольно произойти не может.

Все реальные тепловые процессы являются необратимыми. А понятие обратимого процесса является идеализацией, такой же как материальная точка, точечный заряд, абсолютно твердое тело и т. д. Условием обратимости процесса является его равновесность. Это значит, что система должна проходить через последовательность бесконечно близких друг к другу промежуточных равновесных состояний. Следовательно, обратимый процесс должен быть квазистатическим.