Принцип дії теплової і холодильної машин та їх коефіцієнт корисної дії (ККД). Холодильний коефіцієнт. Друге начало термодинаміки

Теплова машина уявляє собою пристрій, який багатократно здійснює деякий цикл, результатом якого є перетворення теплової енергії в механічну роботу. Причому ця робота повинна бути позитивною. Тоді її можна використати і машина буде корисною.

Всяка теплова машина складається із трьох невід’ємних частин (рис.6.29): 1) нагрівника з температурою Т₁, як джерела теплової енергії; 2) робочого тіла, як носія енергії і посередника між тепловою і механічною енергіями; 3) холодильника.

Необхідність перших двох частин не викликає сумніву, а третьої, холодильника, потребує обгрунтування. Доведемо необхідність холодильника, тобто необхідність викидання певної кількості теплоти в холодильник, як правило оточуюче середовище. При розширенні газу він виконує певну позитивну роботу. Щоб машина працювала відносно довго, робоче тіло необхідно повернути в початковий стан, затративши на це меншу роботу. Тільки тоді А>0 і машина буде корисною. Отже зворотний процес стискування робочого тіла повинен пройти нижче, ніж прямий (рис.6.28,б), а значить при нижчій, ніж прямий, температурі (див. рис.6.2). При стискуванні газ нагрівається. Щоб знизити його температуру, необхідно відбирати частину тепла і викидати в холодильник.

Таким чином, ми впевнились, що неможлива теплова машина, яка б повністю перетворювала всю теплоту в роботу. Така машина називається вічним двигуном другого роду і він нгеможливий. В цьому полягає суть другого начала термодинаміки.

Слід зауважити, що процес, при якому все тепло перетворюється в роботу є – це ізотермічний процес. Але ж для роботи теплової машини необхідно проводити замкнутий процес, тобто цикл.

Знайдемо вираз для ККД ( η ) теплової машини. На основі закону збереження енергії робота

, (6.58) а затрачена енергія дорівнює Q₁. За означенням ККД – це відношення корисної роботи до затраченої енергії

. (6.59)

Звернемо увагу, що ККД завжди менший одиниці.

Холодильна машина, це пристрій, призначенням якого є відбирання тепла від холодного тіла і передача його більш гарячому, тобто охолодження холоднішого тіла. Ця машина працює по оберненому циклу теплової машини (рис.6.30). Корисним результатом роботи холодильної машини є відібране тепло Q₂, на що витрачається робота . Ефективність роботи холодильної машини характеризує відношення забраної кількості теплоти Q₂ до роботи А, тобто холодильний коефіцієнт

. (6.60)

Звернемо увагу, що холодильний коефіцієнт ^,Він може приймати будь-яке значення, як менше так і більше одиниці. Чим більший холодильний коефіцієнт, тим ефективніша холодильна машина. Але ККД циклу холодильної машини знаходиться за виразом (6.59), як і теплової машини.