Теплові машини

Тепловими машинами в термодинаміці називаються теплові двигуни і холодильні машини (термокомпресори)[1]. 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 ${\displaystyle t_{1}}$, джерело з більш низьким температурним рівнем ${\displaystyle t_{2}}$ і робоче тіло.

Рис.1. Теплові машини

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 ${\displaystyle (Q_{1})}$ підводиться з джерела вищої температури ─ нагрівника ${\displaystyle (t_{1})}$ і частково відводиться ${\displaystyle (Q_{2})}$ до джерела нижчої температури ─ холодильника ${\displaystyle (t_{2})}$.

Робота, зроблена тепловим двигуном, згідно першому закону термодинаміки дорівнює різниці кількостей тепла підведеного ${\displaystyle Q_{1}}$ і відведеного ${\displaystyle Q_{2}}$.

$${\displaystyle A=Q_{1}-Q_{2}}$$

Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигуна називається відношення виконаної роботи до подведенному ззовні кількості тепла:

$${\displaystyle \eta ={\dfrac {A}{Q_{1}}}=1-{\dfrac {Q_{2}}{Q_{1}}}}$$

В холодильних машинах та теплових насосах використовується оборотний цикл ─ B. У цьому циклі відбувається перенесення кількості теплоти ${\displaystyle (Q_{2})}$ від джерела нижчої температури ${\displaystyle (t_{2})}$ до джерела вищої температури ${\displaystyle t_{1}}$ (рис.1). Для здійснення цього процесу витрачається зовнішня робота ${\displaystyle (A)}$, що підводиться до холодильної машини.

$${\displaystyle A=Q_{1}-Q_{2}}$$

Ефективність роботи холодильних машин визначається величиною коефіцієнта холодопродуктивності, що являє собою відношення відібраної від охолоджуваного тіла кількості теплоти ${\displaystyle (Q_{2})}$ до витраченої механічній роботи ${\displaystyle (A)}$ :

$${\displaystyle \epsilon _{x}={\dfrac {Q_{2}}{A}}}$$

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 ${\displaystyle Q_{1}}$ підводиться до тіла, що нагрівається, наприклад, до повітря опалюваного приміщення, а теплота ${\displaystyle Q_{2}}$ віднімається від менш нагрітого довкілля.

Ефективність теплового насоса характеризується коефіцієнтом перетворення (трансформації) або, як часто називають, опалювальним коефіцієнтом ${\displaystyle \epsilon _{o}}$, який визначається як відношення отриманою тілом теплоти ${\displaystyle Q_{1}}$, що нагрівається, до витраченої для цього механічної роботи, або роботи електричного струму ${\displaystyle A}$:

$${\displaystyle \epsilon _{o}={\dfrac {Q_{1}}{A}}}$$

Враховуючи, що ${\displaystyle Q_{1}=Q_{2}+A}$, встановлюємо зв'язок між опалювальним і холодильним коефіцієнтами установки:

$${\displaystyle \epsilon _{o}=\epsilon _{x}+1}$$

Оскільки теплота, що відводиться від навколишнього середовища ${\displaystyle Q_{2}}$ 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. [2].