§ 6.4. Тепловая и холодильная машины

1. Тепловая машина (двигатель) совершает механическую работу, превращая в нее тепло. Рабочим телом служит газ, заключенный в цилиндре двигателя. При сообщении газу тепла он расширяется, толкает поршень, и движение поршня приводит в движение, например, колеса автомобиля. Процесс совершения газом работы при переходе его из состояния 1 в состояние 2 представлен на рис. 28 графиком 1а2. Работа газа А_1а2 равна площади под графиком процесса на диаграмме. Для восстановления работоспособности двигателя поршень надо вернуть в исходное состояние, т.е. сжать газ. Если сжимать его процессом 2а1, то работа сжатия равна работе расширения, и после возвращения газа в состояние 1 суммарная работа обратится в ноль. Понятно, что сжимать газ надо другим путем, график которого идет ниже графика расширения. Тогда суммарная работа (она изображена на графике заштрихованной площадью) окажется положительной. Процесс, в результате которого тело после ряда изменений своего состояния возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом или циклом. Понятно, что в тепловой машине используется цикл.

Отметим еще одно обстоятельство. На стадии расширения температура газа выше, чем на стадии сжатия. Действительно, из рис. 28 видно, что при одном и том же объеме давление газа при расширении больше, чем при сжатии. Согласно уравнению состояния, той же закономерности следуют температуры. Это означает, что газ получает тепло при более высокой температуре, нежели отдает, и источником тепла служит горячее тело, а приемником тепла – холодное тело.

Рассмотрим цикл с точки зрения первого начала термодинамики. На стадии расширения газ получает тепло Q₁ и совершает положительную работу A_1a2, на стадии сжатия отдает тепло -Q₂ и совершает отрицательную работу - A_2b1. Запишем для обоих процессов уравнения первого начала термодинамики: Q₁=U₂-U₁+A_1a2

-Q₂=U₁-U ₂-A _2b1

Сложим эти уравнения: Q₁-Q₂=A_1a2-A_2b1=A. Здесь А – работа в цикле.

Блок - схема тепловой машины изображена на рис. 29. Всякая тепловая машина состоит из трех элементов:

1) горячего тела, его называют нагревателем, передающего рабочему телу за цикл Q₁ тепла;

2) рабочего тела, состояние которого циклически изменяется, в результате совершается механическая работа А;

3) холодного тела, его называют холодильником, которому рабочее тело отдает за цикл тепло Q₂.

Обратите внимание на принципиальную невозможность создать такую тепловую машину, которая бы превращала все полученное ею тепло в механическую работу и обладала бы 100% коэффициентом полезного действия. КПД тепловой машины  определяется как отношение полезной работы к затраченной энергии:

= (6.4.1)

2. Холодильная машина забирает тепло у холодного тела и передает его горячему телу вместе с энергией, полученной извне для совершения работы. Рабочее тело при этом совершает цикл в обратном направлении: 1b2a1 (см. рис 28). Примером холодильной машины служит домашний холодильник. В нем рабочее тело забирает тепло из камеры холодильника, поддерживая в ней пониженную температуру, и отдает тепло в окружающую среду, нагревая ее. Для такой работы холодильник потребляет из сети электрическую энергию. Обратите внимание, что задняя стенка работающего холодильника нагревается. Примером холодильной машины является кондиционер, охлаждающий воздух в помещении. Холодильную машину, именуемую тепловым насосом, можно использовать для отапливания помещения. Тепловой насос забирает у наружного холодного воздуха внутреннюю энергию и передает ее в помещение. Разумеется, такой способ обогрева требует больших затрат энергии, поэтому традиционный способ обогрева зданий сжиганием топлива является более эффективным и экономичным.