Теоретичні відомості. За призначенням теплові машини поділяються на три типи: теплові двигуни, холодильні машини і теплові насоси

За призначенням теплові машини поділяються на три типи: теплові двигуни, холодильні машини і теплові насоси. Завдання двигуна – вироблення механічної роботи (обертання валу) за рахунок використання теплоти нагрітого тіла. Важливою особливістю роботи двигуна є обов’язковість передачі частини теплоти, отриманої від нагрівача, сторонньому тілу, т.з. охолоджувачу, яким на практиці виступає оточуюче середовище. Ця особливість і є змістом другого початку термодинаміки у формулюванні Томсона.

Призначення холодильної машини – відведення теплоти від тіл з низькою температурою. Робота, що витрачається на привід холодильної машини, йде на відбір теплоти у тіла з низькою температурою (холодильна камера) і передачу її більш нагрітому тілу, яким на практиці виступає оточуюче середовище.

Усвідомити відмінність теплового двигуна і холодильної машини можна на прикладі відомого з розділу основ термодинаміки ідеального циклу Карно, рV-діаграма якого представлена на рис.1.

Як відомо, ідеальність циклу Карно полягає в його оборотності, тобто у можливості (теоретичній) протікання процесів, що його складають, як у прямому, так і у зворотному напрямах. При протіканні процесів у прямому напрямі (в бік збільшення індексів точок) цикл буде циклом двигуна. Робоче тіло двигуна при цьому отримує теплоту Q₁ і здійснює розширення з виконанням позитивної роботи в ізотермічному 1-2 і адіабатному 2-3 процесах. Далі робоче тіло, вже примусово, стискається ізотермічно 3-4 і адіабатно 4-1. Теплота Q₂ в ізотермічному процесі відводиться до охолоджувача. Корисна робота у циклі двигуна (або робота приводу холодильної машини) чисельно дорівнює площі рV-діаграми циклу і може бути визначеною за формулою:

А = Q₁ – Q₂ .

ККД циклу будь-якого теплового двигуна за самим означення визначається так:

η = A / Q₁ = (Q₁ – Q₂) / Q₁ .

ККД циклу Карно, як відомо з теореми Карно, можна також представити у вигляді:

η = (Т₁ – Т₂) / Т₁.

Причому величина ККД циклу Карно буде найбільшою серед можливих значень при даних температурах нагрівача та охолоджувача.

Якщо примусити робоче тіло теплової машини здійснювати цикл у зворотному напрямі, то вона перетвориться на холодильну машину: корисним ефектом від її роботи буде відбір теплоти Q₂ у тіла з низькою температурою Т₂. Ефективність роботи холодильної машини характеризують т. з. холодильним коефіцієнтом:

ε = Q₂ /A = Q₂ / (Q₁ – Q₂).

Для холодильної машини, яка працює за оберненим циклом Карно:

ε_к = Т₂ / (Т₁ – Т₂) .

Аналізуючи останню формулу можна переконатися у тому, що холодильний коефіцієнт зростає з ростом температури Т₂, а також при зменшенні різниці між температурами Т₁ і Т₂. Крім того, з останнього виразу випливає, що холодильний коефіцієнт може значно перевищувати 1. Важливим є те, що така ситуація має місце не лише для ідеального циклу Карно, але і для реальних холодильних машин, наприклад, для більшості моделей побутових холодильників і кондиціонерів ε = 2,5 – 3.

Іноді роботу холодильних машин характеризують потужністю тепловідведення, яку називають холодопродуктивністю:

q = Q₂ /t, Вт.

Нарешті, третя з теплових машин – тепловий насос – за будовою може нічим не відрізнятися від холодильної машини, але мати інше призначення, а саме – нагрівання (наприклад, опалення) більш нагрітого тіла за рахунок теплоти, відібраної від менш нагрітого тіла (на практиці – оточуюче середовище), і роботи, що витрачається на привід. Ефективність роботи теплового насоса прийнято характеризувати коефіцієнтом перетворення:

ε_нас = Q₁ /A = Q₁ / (Q₁ – Q₂) .

Для випадку, коли тепловий насос працює за оберненим циклом Карно:

ε_нас = Т₁/ (Т₁ – Т₂).

Можна отримати просту формулу для зв’язку ε і ε_нас:

ε_нас = ε + 1 . (1)

Скориставшись останньою формулою можна, наприклад, пересвідчитись у тому, що коли для опалення приміщення буде використано холодильний агрегат з ε = 3,0 (за ефективністю подібний до побутового холодильника), тоді на 1кВт потужності, затраченої на його привід, опалювальне приміщення буде отримувати 4кВт теплової потужності.

Природно може виникнути питання: Чому на практиці теплові насоси не застосовуються повсюдно для опалення приміщень замість електрообігрівачів? Цьому є дві причини:

а) їх більш складна і дорога конструкція порівняно з електрообігрівачами;

б) складність проблеми відбору необхідної кількості теплоти у оточення. Ця складність обумовлена, по-перше, низькою і змінною температурою оточуючого повітря, а по-друге, невеликими значеннями коефіцієнта тепловіддачі повітря.

Зовсім інша справа – обігрів приміщень, що розташовані на воді: трюми, або каюти суден, кімнати будинків на березі моря або річки. Адже вода навіть взимку має доволі високу і стабільну температуру 4...7⁰С, а коефіцієнт тепловіддачі для води у сто разів більший ніж для повітря. Тому використання теплових насосів для обігріву приміщень, що розташовані на воді, на заміну прямого електрообігріву є перспективним напрямком енергозбереження.

Доволі добре відомо, що найбільш поширеним типом холодильної машини є компресорний холодильник. Проте великі габарити навіть найменших агрегатів цього типу не дозволяють використати їх у лабораторному практикумі з фізики. Для цілей фізичного практикуму зручно скористатися термоелектричним мікрохолодильником. Робота цієї теплової машини базується на відомому з розділу термоелектрики явищі Пельтьє:

при проходженні електричного струму у замкнутому ланцюгу, що складається з двох різних матеріалів, у місцях їх з’єднання виділяється (поглинається) додаткова (по відношенню до теплоти Джоуля) теплота, яка пропорційна силі струму і змінює знак при зміні напряму струму.

Конструкція найпоширенішого термоелектричного модуля (багатокаскадної напівпровідникової термобатареї) має вигляд, зображений на рис.2.

Основні технічні характеристики такого охолоджувача, як правило, становлять:

максимальний перепад температур 55 – 65К;

холодильний коефіцієнт 1,0;

сила струму живлення 3,0 А.

Падіння напруги, споживана потужність, холодопродуктивність і габарити охолоджувачів залежать від типу приладу і можуть змінюватись у доволі широких межах.