Обратный цикл Карно

Рассмотрим прямой цикл Карно в диаграмме T – s (см. рис. 14.1а. Стрелки здесь указывают направление процессов).

Очевидно, что для такого цикла

Тепловая машина, работающая по прямому циклу, предназначена для получения положительной полезной работы. При этом обычно для теплового двигателя температура подвода тепла T₁ значительно выше температуры окружающей среды, а температура отвода тепла T₂ обычно близка к температуре окружающей среды.

Ввиду обратимости всех процессов, составляющих цикл Карно, его принципиально возможно осуществить в обратном направлении (рис. 14.1б). Для такого цикла

– подведённая в цикле теплота

– отведённая в цикле теплота

При этом Работа цикла

Отрицательная работа цикла говорит о том, что работа в этом цикле затрачивается от внешнего источника. Цикл, изображённый на диаграмме T – s, называется обратным циклом Карно. Этот цикл отличается тем, что в нём теплота подводится при более низкой температуре, нежели теплота, отводимая от рабочего тела. Это не противоречит ни I-му, ни II-му законам термодинамики при условии, что для такого процесса затрачивается энергия извне (в данном случае в виде работы от внешнего источника).

Обратный цикл Карно принципиально может быть использован для получения температур, меньших температуры окружающей среды. Технические устройства, позволяющие получать температуры, меньшие температуры окружающей среды, за счёт затраты энергии извне, называются холодильными машинами.

Рассмотрим диаграмму T – s, изображающую процессы в холодильной машине, работающей по обратному циклу Карно.

Если в некотором теплоизолированном объёме, называемом холодильной камерой, надо поддерживать температуру T₁, меньшую температуры окружающей среды T₂, то для компенсации притока теплоты извне от холодильной камеры необходимо постоянно отводить количество теплоты (в расчёте на один цикл)

Заметим, что эта теплота положительна по отношению к рабочему телу, носящему в холодильной технике название хладагент.

Это количество теплоты необходимо отводить в окружающую среду (обычно в атмосферу) с температурой T₂ > T₁. Для осуществления такого процесса хладагент сжимается адиабатически до температуры окружающей среды и затем от него отводится теплота в атмосферу.

Поскольку холодильная машина, работающая по циклу Карно, практически трудно осуществима (в однофазной области), мы не будем рассчитывать её подробно. Ограничимся лишь рассмотрением её показателя термодинамической эффективности. Согласно общему правилу охарактеризуем эффективность холодильной машины так называемым холодильным коэффициентомε таким образом, чтобы в числителе была представлена «польза» (в данном случае отводимая к хладагенту от холодильной камеры теплота Q₁), а в знаменателе – внешние затраты L_о .

Имеем тогда

Поскольку , то можно записать

Для обратного цикла Карно получаем