Термодинамический цикл холодильных машин

Для непрерывного охлаждения машинными способами поми­мо охлаждаемого тела и приемника теплоты требуется третье тело, переносящее теплоту от первого ко второму. Это третье тело назы­вается рабочим телом или холодильным агентом.

Холодильный агент, претерпевая ряд изменений, должен воз­вращаться в первоначальное состояние, непрерывно участвуя в круговом процессе, или цикле. Подобный цикл называется тер­модинамическим.

В отличие от прямого цикла (цикл тепловой машины), когда работа производится при переходе теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, круговой процесс, в котором для передачи теплоты от менее нагретого тела к более нагретому необходимо подводить энергию (или теплоту), называется обратным циклом. Различают три вида обратного цикла (рис. 2):

холодильный 1—2—3—4, в котором теплота переносится от охлаждаемого тела с температурой Т_н к окружающей среде с тем­пературой Т_ос;

теплового насоса 5— 6— 7— 8, в котором теплота переносится от окружающей среды к телу с более высокой температурой Т_в;

комбинированный 9— 10— 11— 12, состоящий из двух первых.

Если при осуществлении процессов, образующих обратный цикл, у взаимодействующих тел не наблюдаются остаточные из­менения, т.е. эти процессы обратимы, то и обратный цикл обра­тим. На осуществление обратимого цикла требуется минимум ра­боты или теплоты, поэтому он является эталоном. Обратимый хо­лодильный цикл 1—2—3—4, приведенный на рис. 2, показан на S— Т – диаграмме, где S — энтропия; Т — абсолютная температура.

Энтропия S — это отношение ничтожно малого количества теплоты Δq, сообщенной телу (или отнятой у него) в процессе изменения его агрегатного состояния, к абсолютной температу­ре Т, при которой происходит это приращение теплоты, т.е. S = Δq / Т (Дж/К). Энтропию в тепловых процессах можно рассмат­ривать как термический заряд, который не меняется в идеализи­рованных обратимых циклах.

Рис. 2. Обратные циклы Карно

Как видно из рис. 2, цикл должен состоять из двух изотерми­ческих и двух адиабатических процессов. Такой цикл называется циклом Карно. При этом холодильный агент должен получать теп­лоту от охлаждаемого тела и передавать ее окружающей среде при постоянных температурах. Темпера­туры холодильного агента и окру­жающей среды должны отличаться друг от друга на бесконечно малую величину, так как разность темпе­ратур необходима для осуществле­ния теплообмена.

Точно так же обмен работой между холодильным агентом и ок­ружающей средой должен проис­ходить при бесконечно малой раз­ности давлений.