Обратный цикл Карно

Осуществим цикл Карно в обратном направлении. Рабочее тело с начальными параметрами точки а (рис. 13) расширя­ется адиабатно, совершая работу расши­рения за счет внутренней энергии, и ох­лаждается от температуры Т₁ до темпе­ратуры Т₂. Дальнейшее расширение про­исходит по изотерме, и рабочее тело отбирает от нижнего источника с темпе­ратурой Т₂ теплоту q ₂. Далее газ под­вергается сжатию сначала по адиабате, и его температура от Т₂ повышается до Т₁, а затем — по изотерме (T₁ =const). При этом рабочее тело отдает верхнему источнику с температурой Т₁ количество теплоты q₁.

Общая схема преобразования энер­гии показана на рис. 9 (стрелки в обратном направлении)

Поскольку в обратном цикле сжатие рабочего тела происходит при более вы­сокой температуре, чем расширение, ра­бота сжатия, совершаемая внешними си­лами, больше работы расширения на ве­личину площади аbсd, ограниченной контуром цикла. Эта работа превраща­ется в теплоту и вместе с теплотой q₂ передается верхнему источнику.

Р

Таким образом, затратив на осуществление об­ратного цикла работу l_ц, можно перене­сти теплоту от источника с низкой температурой к источнику с более высокой температурой, при этом нижний источник отдаст количество теплоты q₂, а верхний, получит количество теплоты q₁ = q₂ + l_ц.

Обратный цикл Карно является идеальным циклом холодильных уста­новок и так называемых тепловых насосов.

В холодильной установке рабочими телами служат, как правило, пары легко­кипящих жидкостей — фреона, аммиака и т. п. Процесс «перекачки теплоты» от тел, помещенных в холодильную камеру, к окружающей среде происходит за счет затрат электроэнергии. Эффективность холодильной установки оценивается холодильным коэффициентом, определяемым как отношение количества теплоты, отнятой за цикл от холодильной камеры, к за­траченной в цикле работе:

для обратного цикла Карно [45]

Следует отметить, чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нуж­но затратить энергии для передачи теп­лоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.

Холодильную установку можно ис­пользовать в качестве теплового насоса. Если, например, для отопления помеще­ния использовать электронагревательные приборы, то количество теплоты, выде­ленное в них, будет равно расходу элек­троэнергии. Если же это количество элек­троэнергии использовать в холодильной установке, горячим источником, т. е. при­емником теплоты, в которой является отапливаемое помещение, а холодным — наружная атмосфера, то количество теп­лоты, полученное помещением, q₁= q₂ + l_ц — количество теплоты, взятое от наружной атмосферы, а l_ц — расход электроэнергии. Понятно, что q₁ > l_ц т.е. отопление с помощью теплового на­соса выгоднее простого электрообогрева.

Используя обратный цикл Карно, рассмотрим еще одну формулировку вто­рого закона термодинамики, которую в то же время, что и В. Томсон, пред­ложил Р. Клаузиус: теплота не может самопроизвольно (без компенсации) пе­реходить от тел с более низкой к телам с более высокой температурой.