Bơm nhiệt

19

Bơm nhiệt

Tất cả chúng ta đều quen với máy sưởi điện. Chỉ cần cắm một lò sưởi như vậy vào mạng là đủ, và sau một thời gian, căn phòng sẽ ấm lên - năng lượng của dòng điện trong đó sẽ chuyển thành nhiệt. Lò sưởi điện có thiết kế rất đơn giản và thực chất là một cuộn dây đốt nóng - một điện trở. Quá trình chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt được thực hiện gần như hoàn toàn, ngoại trừ một phần năng lượng nhỏ chuyển thành bức xạ ánh sáng nếu hình xoắn ốc đủ nóng và phát sáng. Nhân tiện, theo quan điểm này, bóng đèn điện không phải là một lò sưởi tốt như lò sưởi điện, vì vài phần trăm năng lượng của nó bị mất dưới dạng bức xạ ánh sáng. Nhưng kỳ lạ thay, nó giống một lò sưởi hơn là một nguồn sáng, tức là nó chủ yếu làm nóng và không tỏa sáng.

Có vẻ như lò sưởi điện hoàn thành nhiệm vụ của nó một cách hoàn hảo, chuyển đổi gần như toàn bộ năng lượng hiện tại thành nhiệt lượng cần thiết. Liệu chúng ta có thể, bằng cách tiêu tốn một ít năng lượng, để thu được lượng nhiệt gấp đôi và do đó tiết kiệm chi phí sưởi ấm không? Thoạt nhìn, điều này hoàn toàn không thể xảy ra và mâu thuẫn với định luật bảo toàn năng lượng. Tuy nhiên, chúng ta đừng vội vàng và hãy cố gắng xem xét vấn đề này chi tiết hơn. Và chúng tôi sẽ dạy bạn từ… một chiếc ô tô lạnh giá, hay đơn giản là một chiếc tủ lạnh.

Tủ lạnh lấy nhiệt từ ngăn chứa bên trong, nơi nhiệt độ được giữ ở mức thấp và tách nhiệt vào phòng. Một quá trình như vậy không thể được xác định bởi chính nó. Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh sang vật nóng (đây là một trong những công thức của định luật nhiệt động thứ hai).

Truyền nhiệt “ngược” đòi hỏi phải cung cấp năng lượng liên tục - hoạt động của máy nén tủ lạnh. Chúng ta không biết chi tiết về chiếc tủ lạnh nhưng nó luôn cần năng lượng để hoạt động.

Để, nhờ công A, tủ lạnh lấy đi một lượng nhiệt $Q_2$ từ tủ đông. Khi đó, theo định luật bảo toàn năng lượng, một lượng nhiệt $Q_1 = Q_2 + A$ tỏa ra trong phòng. Do đó, rõ ràng là khi tủ lạnh chạy, ngay cả khi cửa mở, căn phòng vẫn ấm áp.

Hãy thử tìm hiệu suất của tủ lạnh. Nhưng trước hết chúng ta nhớ đến động cơ nhiệt, nguyên lý thiết kế và hoạt động của nó hoàn toàn giống với máy làm lạnh. Về cơ bản, máy lạnh là một động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình ngược.

Như bạn đã biết, chất lỏng làm việc của động cơ (hình 1) nhận được từ bộ sưởi một lượng nhiệt $Q_1$, hoạt động $A'$ và đưa vào tủ lạnh (đừng nhầm lẫn với máy làm lạnh!) một lượng nhiệt $Q_2 < Q_1$. Hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt lý tưởng là

$$\eta_{\text{max}} = \frac{A'}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = \frac{T_1 - T_2}{T_1},$$

trong đó $T_1$ là nhiệt độ của lò sưởi và $T_2$ là nhiệt độ của tủ lạnh.

Hiệu suất của tủ lạnh $\eta_x$ được xác định bằng tỷ lệ giữa lượng nhiệt lấy từ tủ đông và công cần thiết cho việc này. Vì