50
КПД тепловых и холодильных машин
Что такое коэффициент полезного действия тепловой и холодильной машин? Может ли он быть больше 100%? Постараемся ответить на эти вопросы.
Для работы любой тепловой машины необходимо по крайней мере два тепловых резервуара с разными температурами. Получая теплототок более горячего резервуара (нагреватель), рабочое тепло машина совершает работу, но при этом часть тепла отделяется более холодному резервуару (холодильнику).
Коэффициент полезного действия η тепловой машины равен отношению работы A, совершенной машиной, к количеству теплоты Qₙ, полученную его нагреватель:
Согласно первому закону термодинамики,
Здесь Qₓ — количество теплоты, отделенное холодильником для тепловых машин служит окружающей среда), а ΔU — изменение внутренней энергии рабочого тела. Поскольку все тепловые машины работают по замкнутому циклу — обратному циклу Карно (терверзь цикл обходится проти в часовой стрелки; см. рис. 1), то
Из этой формулы видно, что ε может быть меньше, больше или равен 100%. Действительно, возможность построить холодильную машину, у которой разность температур нагрева
*) Подробнее об этом можно прочитать, например, в статье С. Шамша и Э. Эвенчик «Цикл Карно» («Квант», 1977, № 1).
51
теля и холодильника будет больше, меньше или равна температуре холодильника.
Тот факт, что е может быть больше 100%, иногда вызывает вопрос — не нарушается ли при этом закон сохранения энергии? На самом деле никакого противоречи с законом сохранения энергии нет. Тепло, отбранное у охлаждаемого тела, и энергия, затраченная на совершение работы извне, вовсе не переходят друг в друга, а отдаются нагреванию (обычно у холодильных машин им является окружаюшая среда).
Разберем несколько конкретных задач.
Задача 1. Тепловая машина, рабочим телом коморошя является 1 моль идеального одноатомного газа, совершаем цикл, изображенный на рисунке 2. Наимен КПД этой машины.
Коэффициент полезного действия тепловой машины равен
Работа за цикл численного равна площади цикла, изображенного в координатах , (см. рис. 2):
Выясним, на каких участках цикла газ получает тепло, а на каких отдает его. Запишем первый закон термодинамики для любого участка:
Один mole идеального одноатомного газа обладает внутренней энергией
откуда
изменение внутренней энергии на каждом участке определяется изменением температуры. Работа численно равна площади под соответствующим участком цикла.
С помощью уравнения состояния идеального газа найдем температуры газа в точках 1, 2, 3:
На участке 1—2 температура газа увеличивается (), и газ совершает положительное работу (газ расширяется); следовательно, на этом участке газ получает тепло. На участках 2—3 и 3—1 температура газа убивает, на участке 2—3 работа вообще не совершается, а на участке 3—1 она отрицательна (газ скимают, совершая работу извне) — значит, на этих участках газ тепла не получает.
Итак, газ получает тепло только на участке 1—2:
Тогда окончательно
Задача 2. Идеальная холодильная машина имеет в качестве холодильника резервуар с водой при , а в качестве нарезавателя — резервуар с кипящей водой. Какую работу надо совершить, чтобы превращать в нарезаватель превращаться при этом в пар? Удельная теплота лвда кДж/кг,
52
Рис. 3.
удельная теплота парообразования воды кДж/кг.
Идеальная холодильная машина работает по обратному циклу Карно, ее холодильный коэффициент
При замерзании 1 кг воды выделяется количество теплоты
Совершенная при этом работа
Нагреватель получит количество теплоты
следовательно, в пар превращится масло.
Задача 3. В середине прошло века ангелиский физик Томсон предложил идею как называемого динамического отопления. Топка, в котором сжигается моливо, служит нарезателем тепловой машины, холодильником для этой машины сжигим вода в отопительной системе. За счет получения работы приведимся в действие холодильная машина. Для холодильной машины вода в отопительной системе сжигим нарезателем, а холодным резервиером, от коморою отбирается мелло, сжигим эрунтовая вода. Считая, что обе машины работают по идеальным циклам, и пребрегая померями, определяете, сколько моля получит вода в отопительной системе при сжIZАНИ 1 кг молива. Удельная теплота сгорания молива , температура в монке тепловой машины , температура воды в отопительной системе , температура эрунтовой воды .
Для того чтобы яснее представить себе идею Томсона, нарисуем схему динамического отопления (рис. 3).
Тепер проводим необходимые расчеты.
Машины — идеальные, то есть работаот они по циклу Карно. Следовательно, КПД тепловой машины
холодильный коэффициент
При скигании 1 кг топлива в топке выделяется энергия . Работа, которое совершает при этом тепловой машины, равна
а коэффициент теплоты, переданное в отопительной системе, равно
Холодильная машина отбирает у грунтовой воды коэффициент теплоты
Вода в отопительной системе получает при этом коэффициент теплоты
В общей сложности вода в отопительной системе получает коэффициент теплоты
Таким образом, система динамического отопления позволяет в принципе (если пребрегает потерями) передавать воду в отопительной системе коэффициент теплоты больше, чем выделяется в топке при сгорании топлива! Не нарушается ли здесь первое начало термодинамики? Ником образом: «лишнее» теплота отбирается у грунтовой воды. Действительно, у грунтовой воды отбирается теплота
— как раззначена между и .
(Окончание см. на с. 54)