Обратный термодинамический цикл

Холодильными или обратными циклами называются циклы, в которых теплота переносится от холодного тела к нагретому.

Для реализации обратного цикла процесс расширения рабочего тела термодинамической системы происходит при более низком давлении, чем процесс сжатия (рис. 3.2, а). В этом случае работа на участке BDA (L₂ = пл. eADBf) отрицательна, а на участке ACB (L₁ = = пл. eACBf) положительна. Так как пл. eADBf >пл. eACBf, то работа за цикл отрицательна:

l_ц = l₁ – |l₂| = пл. AСBDA < 0.

В соответствие с первым законом термодинамики суммарное количество теплоты в этом цикле также должно быть отрицательным: q_ц < 0. Для этого необходимо, чтобы теплота подводилась к термодинамической системе при более низкой температуре (линия CBD на рис. 3.2, б), а отводилась при более высокой температуре (линия DAC). В этом случае:

q_ц = q₁ – |q₂| = пл. CBDAC < 0.

Рис. 3.2. Обратный термодинамический цикл

При осуществлении обратного цикла на участке CBD рабочее тело машины отбирает теплоту q₁ от некоторых тел в окружающей среде, а на участке CAD отдает теплоту q₂ другим телам в окружающей среде, имеющим более высокую температуру, чем первые тела. Таким способом передается теплота с низшего температурного уровня на высший, то есть охлаждаются некоторые тела в окружающей среде.

Следовательно, в обратном цикле происходит превращение работы, подведенной к машине, в теплоту. И одновременно с охлаждением одних тел в окружающей среде обязательно нагреваются другие тела, которые получают как теплоту, взятую у холодного тела, так и теплоту, в которую превратилась работа цикла:

q₂ = q₁ + |q_ц| = q₁ + |l_ц| .

Эффективность холодильного цикла характеризуется холодильным коэффициентом e_х, который представляет собой отношение количества теплоты q₁, воспринятого системой на низшем температурном уровне к работе l_ц, воспринятой системой за цикл:

.

Холодильный коэффициент может быть как меньше, так и больше единицы, это зависит от соотношения между количествами теплоты q₁ и q₂ в цикле.

Обратный цикл может использоваться как цикл теплового насоса – машины, предназначенной для отбора теплоты от менее нагретого тела (q₁) и передачи ее более нагретому телу (q₂) за счет затраты работы цикла. Эффективность цикла теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом j_t, представляющим собой отношение количества теплоты q₂, передаваемого отапливаемому помещению, к затраченной работе цикла:

.

Отопительный коэффициент всегда больше единицы, так как |q₂| > q₁.