Тепловые двигатели и холодильные машины

Тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет полученной извне теплоты.

Термостатом называется термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами практически без изменения собственной температуры.

Рабочее тело – это тело, совершающее круговой процесс и обменивающееся энергией с другими телами.

а)	б)
Рис.2.13. Тепловой двигатель (а) и холодильная машина (б)

Принцип работы теплового двигателя (рис.2.13,а): от термостата с более высокой температурой T₁, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой T₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q₂, при этом совершается работа A = Q₁-Q₂. Термический КПД двигателя

(2.62)

Чтобы КПД был равен единице, необходимо, чтобы Q₂ = 0, а это запрещено вторым началом термодинамики.

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине (рис.2.13,б): от термостата с более низкой температурой T₂ за цикл отнимается количество теплоты Q₂ и отдается термостату с более высокой температурой T₁>T₂. При этом или

Количество теплоты Q₁, отданное системой термостату T₁, больше количества теплоты Q₂, полученного от термостата T₂, на величину работы, совершенной над системой.

Эффективность холодильной машины характеризует холодильный коэффициент h’ – отношение отнятого от термостата с более низкой температурой количества теплоты Q₂ к работе A, которая затрачивается на приведение холодильной машины в действие:

(2.63)

Теорема Карно

Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей T₁ и холодильников T₂, наибольшим КПД обладают обратимые машины. При этом КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников, равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела, а определяются только температурами нагревателя и холодильника.

Наиболее экономичный обратимый процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат – цикл Карно (рис.2.14). Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

Последовательные термодинамические процессы в цикле Карно: 1 – изотерма – 2 – адиабата – 3– изотерма – 4 – адиабата – 1.

Рис.2.14. Диаграмма цикла Карно

Таблица 2.4