3.4.1.Термодинамічні процеси і оборотний цикл

Для безперервного охолодження потрібно щонайменше три тіла: охолоджуване, приймач теплоти і третє, що переносить теплоту від першого до другого. Воно називається робоче тіло або холодильний агент. Отже, холодильний агент, зазнавши ряду змін, повинен бути повернений у первісний стан і безперервно здійснювати такий коло­вий процес або цикл. Отже, на одній із ділянок колового процесу холодильний агрегат у результаті теплообміну одержує теплоту від охолоджуваного тіла. Ця теплота повинна бути передана приймачу теплоти, яким зазвичай є навколишнє середовище (атмосферне повітря, вода). Температура навколишнього середовища вища, ніж холодильного агента, отже, мимоволі такий перехід теплоти неможли­вий. Тому на іншій ділянці колового процесу до холодильного агента підводиться енергія у вигляді роботи чи теплоти для підвищення його температури настільки, щоб холодильний агент міг передати отрима­ну у попередніх процесах теплоту навколишньому середовищу. На наступній ділянці колового процесу відбувається теплообмін між холодильним агентом і навколишнім середовищем. На останній – холодоагент повертається у вихідний стан.

На відміну від прямого циклу (цикл теплової машини), у якому виробляється робота при переході теплоти від більш нагрітого тіла до менш нагрітого, коловий процес, у якому підводиться робота (чи теп­лота) для передачі теплоти від менш нагрітого до більш нагрітого тіла, називається зворотним циклом.

Розрізняють три види зворотного циклу (рис. 3.8): холодильний 1-2-3-4, у якому теплота переноситься від охолоджуваного тіла з температурою Т_н до навколишнього середовища Т_н°С; теплового насоса 5-6-7-8, якщо теплота переноситься від навколишнього середовища до тіла з більш високою температурою Т_в; і комбінований 9-10-11-12, що складається з перших двох.

Я кщо процеси, що утворюють зво­ротний цикл, будуть оборотними, тобто при їхньому здійсненні не буде остаточних змін у взаємодіючих тіл, то й зворотний цикл буде оборотним.

Зворотний цикл є зразком (етало­ном), тому що на його здійснення потрібно витрати мінімум роботи (теплоти).

Розглянемо, яким повинен бути зво­ротний холодильний цикл, якщо темпе­ратура охолоджуваного тіла і навко­лишнього середовища будуть постійними. З умови оборотності випливає, що холодильний агент повинен одержувати теплоту від охолоджуваного тіла і передавати її навколишньому середовищу теж при постійних температурах; проте він має відрізнятися на нескінченно малу величину, оскільки різниця температур необхідна для здійснення теплообміну. Аналогічно і обмін роботою між холодильним агентом і навколишнім середовищем повинен відбуватися при нескінченно малій різниці тисків. Отже, за таких умов зворотний холодильний цикл повинен складатися з двох ізотермічних і двох адіабатичних процесів. Такий цикл називається циклом Карно.

Зворотний холодильний цикл показаний на діаграмі Т–s (ентропія – абсолютна температура рис. 3.8). В ізотермічному процесі 4–1 кожний кілограм циркулюючого холодильного агента одержує від охолоджуваного тіла теплоту q₀, яка називається питомою масовою холодопродуктивністю холодильного агента, що виражається площею а-4-1-b і рівнянням

(3.23)

В адіабатичному процесі 1-2 при витраті роботи l_k холодильний агент стискується, внаслідок чого його температура підвищується від Т_прям до Т_н.с. Далі в ізотермічному процесі 2-3 кожний кілограм циркулюючого холодильного агента віддає навколишньому середо­вищу теплоту, що вимірюється площею а32 b

(3.24)

У завершальному адіабатичному процесі 3-4 холодильний агент розширюється з одержанням роботи l_p, і температура холодоагенту знижується від Т_н.с до Т_прям.

Робота циклу дорівнюватиме різниці робіт, витрачених на стискання холодильного агента l_к і отриманої при його розширенні l_p:

(3.25)

Робота циклу перетворюється в теплоту, що підводиться до холодильного агента. Відповідно до першого закону термодинаміки сума енергії, підведеної до холодильного агента, повинна дорівнювати сумі енергії, відведеної від нього.

(3.17)