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 , джерело з більш низьким температурним рівнем і робоче тіло.
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 підводиться з джерела вищої температури ─ нагрівника і частково відводиться до джерела нижчої температури ─ холодильника .
Робота, зроблена тепловим двигуном, згідно першому закону термодинаміки дорівнює різниці кількостей тепла підведеного і відведеного .
Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигуна називається відношення виконаної роботи до подведенному ззовні кількості тепла:
В холодильних машинах та теплових насосах використовується оборотний цикл ─ B. У цьому циклі відбувається перенесення кількості теплоти від джерела нижчої температури до джерела вищої температури (рис.1). Для здійснення цього процесу витрачається зовнішня робота , що підводиться до холодильної машини.
Ефективність роботи холодильних машин визначається величиною коефіцієнта холодопродуктивності, що являє собою відношення відібраної від охолоджуваного тіла кількості теплоти до витраченої механічній роботи :
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 підводиться до тіла, що нагрівається, наприклад, до повітря опалюваного приміщення, а теплота віднімається від менш нагрітого довкілля.
Ефективність теплового насоса характеризується коефіцієнтом перетворення (трансформації) або, як часто називають, опалювальним коефіцієнтом , який визначається як відношення отриманою тілом теплоти , що нагрівається, до витраченої для цього механічної роботи, або роботи електричного струму :
Враховуючи, що , встановлюємо зв'язок між опалювальним і холодильним коефіцієнтами установки:
Оскільки теплота, що відводиться від навколишнього середовища 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. .
Примітки
Джерела
- Белоконь Н. И. Термодинамика. — Госэнергоиздат, 1954. — 417 с.
- Кириллин В. А. Техническая термодинамика. — Энергоатомиздат, 1983. — 416 с.