З рівняння (3.26) випливає, що

на Т–s – діаграмі робота циклу виражається площею 1234.

Ефективність здійснення холодильного циклу оцінюється холодильним коефіцієнтом, який дорівнює відношенню теплоти, отриманої холодильним агентом від охолоджуваного тіла, до роботи циклу:

(3.27)

(3.28)

Із виразу (3.28) випливає, що ефективність циклу Карно залежить від температур тіл, між якими здійснюється цикл. При температурі навколишнього середовища Т_{н .с} витрата роботи на оди­ницю відведеної теплоти буде тим більша, чим нижча температура Т_прям. Отже, економічно недоцільно використовувати для охолоджен­ня джерело з більш низькою температурою, ніж це потрібно для вирішення конкретної задачі. Холодильний коефіцієнт може зміню­ватися у межах від 0 до .

Сукупність технічних пристроїв, необхідних для здійснення холодильного циклу, називається холодильною машиною.

Зворотний цикл теплового насоса може бути представлений також циклом Карно 5-6-7-8 (рис. 3.8). Теплота q_от, отримана одним кілограмом холодильного агента від навколишнього середовища, відпо­відає площі с85d, а теплота, віддана тілу з високою температурою q_в, – площі с76d. Робота циклу l=q_в-q_от. відповідає площі 5678.

Ефективність циклу теплового насоса виражається коефіці­єнтом перетворення теплоти, рівним відношенню отриманої теплоти до витраченої роботи:

(3.29)

Коефіцієнт перетворення теплоти завжди більший за одиницю. Це свідчить про те, що з енергетичної точки зору для опалення доцільніше застосовувати цикл теплового насоса, ніж електричний нагрівач, тому що при температурі Т_в тепловий насос дозволяє одержати від кожного джоуля електроенергії в  разів більше теплоти. Машина, що здійснює такий цикл, називається тепловим насосом.

Холодильне устаткування коштує значно дорожче теплового, тому за величиною сумарних витрат опалення за допомогою тепло­вого насоса економічно виправдане тільки там, де цілий рік потрібно кондиціонувати повітря.

У зворотному комбінованому циклі Карно 9-10-11-12 (рис. 3.8) теплота, відведена 1 кг холодильного агента від охолоджуваного тіла, відповідає площі е129f, теплота підведена до джерела високої температури, виражається площею е1110f. Робота циклу відповідає площі 9101112. Комбінований цикл складається з двох циклів: холодильного і теплового насосів. Але комбінований цикл можна здійснити однією машиною, що доцільніше, ніж двома – холо­дильною машиною і тепловим насосом. За таким циклом можуть працювати машини, що дозволяють осушувати (виморожувати) і підігрівати повітря, нагрівати і охолоджувати молоко, охолоджувати харчові продукти і нагрівати воду (повітря) для технологічних або побутових цілей.

Холодильний цикл (рис. 3.8) здійснюється між тілом, що охо­лоджується, і навколишнім середовищем, температури яких постійні. Розглянемо випадок, коли температура тіла, що охолоджується змінна, а навколишнього середовища  постійна (рис. 3.9). Щоб цикл і у цьому випадку був зворотним, процеси теплообміну між тілом, що охолоджується, навколишнім середовищем і холодильним агентом повинні відбуватися з а нескінченно малої різниці температур. Отже, прямі 1-4 і 3-2, що відображають зміни стану відповідно охолоджува­ного тіла і навколишнього середовища, практично збігаються з прямими зміни стану холодильного агента 4-1 і 2-3. Оскільки процеси стиснення 1-2 і розширення 3-4 холодильного агента відбуваються адіабатично, то холодильний цикл 1-2-3-4 є оборотним.

К ількість теплоти , від­веденої одним кілограмом холо­дильного агента від охолоджува­ного тіла, в оборотному циклі еквівалентна площі а4lb. Кількість теплоти, переданої одним кілогра­мом холодильного агента навко­лишньому середовищу , вимі­рюється площею а32b. Робота циклу l^обр еквівалентна площі 1234. Холодильний коефіцієнт циклу розраховують за формулою

(3.30)

Розглянемо показники циклу Карно, що здійснюється між тими самими тілами – охолоджуваним, температура якого змінюється, і навколишнім середовищем.

Т еплообмін між холодильним агентом і навколишнім середо­вищем буде відбуватися при постійній температурі Т_н.с., друга ізотерма повинна проходити через точку 4, щоб забезпечити відве­дення теплоти в процесі 4-1. Отже, початковий стан ізотерми Т_прям1 циклу Карно відомий, а кінцевий стан визначають, виходячи з умови рівності кількості теплоти, відведеної від охолоджуваного тіла, кількості теплоти, прийнятої одним кілограмом холодильного агента, тобто площі повинні бути рівні: а41b =а41^’c. Отже, отриманий цикл Карно 4-1^’-2^’-3 складається з двох ізотермічних 4-1^’ і 2^’-3 і двох адіабатичних 1^’-2^’ і 3-4 процесів.

Питома масова холодопродуктивність холодильного агента в циклах, що розглядалися, однакова: = .

Теплота, що віддається холодильним агентом навколишньому середовищу в циклі Карно, більша, ніж у циклі із змінною темпера­турою, тому що площа а32’с більша за площу а32b на площу b22’с. Останню можна подати у вигляді рівняння

(3.31)

Тоді можна записати

(3.32)

Робота циклу Карно виражається таким рівнянням:

(3.33)

Із рівності (3.33) випливає, що при здійсненні циклу Карно витрачається більше роботи, ніж у попередньому циклі, тому що температура холодильного агента нижча, ніж охолоджуваного тіла. Додаткова робота, що витрачається в циклі Карно, порівняно із зворотним циклом, при однаковій питомій масовій холодопро­дуктивності холодильного агента буде

(3.34)

Зростання ентропії s₁ викликане зовнішньою необоротністю, джерелом якої є теплообмін, що протікає при кінцевій різниці температур.

Холодильний коефіцієнт циклу Карно

(3.35)

Отже, холодильний коефіцієнт циклу Карно, що відбувається при змінній температурі охолоджуваного тіла, менший за холо­дильний коефіцієнт відповідного оборотного циклу.

Реальні цикли є необоротними внаслідок дійсних процесів, що відбуваються при їхньому здійсненні: теплообмін при кінцевій різниці температур, розширенні і стисненні за наявності тертя, дроселювання. Ступінь необоротності може бути різним. Тому термодинамічна доско­налість циклу визначається шляхом зіставлення його з оборотним циклом, що має ту ж саму величину питомої масової холодопродук­тивності, і оцінюється коефіцієнтом оборотності, рівним відношенню їх холодильних коефіцієнтів.

Тоді коефіцієнт оборотності розглянутого циклу Карно буде

(3.36)

Припустимо, що теплообмін в ізотермічному процесі між холодоагентом і навколишнім середовищем відбувається також при кінцевій різниці температур. Тоді площа а3’2"с (рис. 3.9) відповідає кількості теплоти q, що передається від 1 кг холодильного агента навколишньому середовищу. Оскільки теплота повинна бути перене­сена на більш високий рівень, слід затратити додаткову роботу

(3.37)

Збільшення ентропії s₂ пов’язане також із необоротністю процесу теплообміну через кінцеву різницю температур. Величину s₂ можна визначити, відкладаючи по ізотермі T_н.c від точки 3 відрізок такої величини, щоб площа а32"’b, була рівна площі а3’2"с.

Отже, додаткова робота необоротного циклу 1’-2"-3’-4 порів­няно з оборотним 1-2-3-4 складе

(3.38)

Тоді робота циклу Карно 1'-2"-3'-4

(3.39)

Холодильний коефіцієнт цього циклу Карно

(3.40)

Коефіцієнт оборотності циклу

(3.41)

Отже, ступінь оборотності цього циклу Карно менший за попе­редній цикл, що відповідає принципу Гюї - Стодоли: чим більша необоротність (збільшення ентропії) циклу, тим більше роботи треба витратити для одержання одного й того ж корисного ефекту.

Таким чином, аналіз енергетичної ефективності холодильного циклу базується на оцінці витрат порівняно з оборотним (зразковим) циклом. У термодинаміці є декілька зразкових циклів – Карно, Лоренца, Стірленга та ін. Але, як зазначено вище, зразковий цикл не є універсальним, він повинен вибиратися з урахуванням конкретних умов взаємодії холодильного агента з тілами, між якими відбувається цикл.

Зворотний цикл Карно лежить в основі принципу роботи холо­дильних машин, що використовуються у холодильній техніці. Залежно від використовуваного робочого тіла (холодоагента) холодильні машини поділяють на дві групи: парові й газові. У випарнику парової холодильної машини при відведенні тепла до робочого тіла від охо­лоджуваного об’єкта відбувається випаровування, а в конденсаторі при відведенні теплоти від робочого тіла у навколишнє середовище (до повітря чи води)  його конденсація. У парових холодильних машинах як робоче тіло використовуються аміак і хладони  фтористі й хлористі похідні граничних вуглеводнів. У газових холодильних машинах вико­ристовують повітря.

Залежно від способу подачі робочого тіла в конденсатор розріз­няють компресорні, абсорбційні і пароенжекторні парові холодильні машини. У парових і газових компресорних холодильних машинах робочий цикл здійснюється за рахунок механічної роботи компресора. В абсорбційних і пароенжекторних холодильних машинах робочий цикл відбувається у результаті затрати тепла. Для забезпечення потрібних температур кипіння і конденсації робочого тіла використовують одноступінчасті, багатоступінчасті і каскадні парові компресійні холодильні машини. В одноступінчастих використовують один, а в багатоступінчастих і каскадних  два і більше компресори, які забезпечують здійснення холодильного циклу на кожному етапі машини.

Для холодильної обробки і низькотемпературного збереження харчових продуктів застосовують переважно парові компресорні одно- і двоступінчасті машини.