Введение. Эффективность действия тепловой машины в режимах теплового двигателя, теплового насоса и холодильника

Эффективность действия тепловой машины в режимах теплового двигателя, теплового насоса и холодильника

Юрий Григорьевич Рудой

Российский университет дружбы народов (РУДН), кафедра теоретической

физики,117191, г. Москва, ул. Орджоникидзе, 3. E-mail: rudikar@mail.ru.

Дан систематический и полный анализ основных режимов и субрежимов

действия тепловой машины как теплового двигателя, теплового насоса и

холодильника. Уточнены определения четырех эффективностей для всех

этих субрежимов и установлены три соотношения между ними, что

позволяет выбрать в качестве независимой величины отношение

абсолютных температур холодильника и нагревателя. Дан пример

использования теплового насоса в качестве энергосберегающего прибора.

Ключевые слова: законы термодинамики, тепловая машина, тепловой

двигатель, тепловой насос, холодильник, цикл Карно.

Введение

Утверждение о том, что термодинамика (ТД) является одним из важнейших разделов физики как науки и как учебной дисциплины уже давно стало общепринятым и не нуждается в дополнительных обоснованиях. Достаточно указать лишь на широчайший круг физических объектов, где именно ТД играет решающую роль: от квантовых кубитов в микромире до космологических объектов в мегамире. Более подробное обсуждение перспектив применения ТД, в особенности в контексте роли случайных ТД флуктуаций, а также роли квантовых аспектов 2-го и 3-го начал ТД, можно найти в [1].

Тем не менее, на наш взгляд, отнюдь не исчерпаны методологические ресурсы и более традиционных для ТД тем – прежде всего теории идеальных тепловых машин как «родоначальника» ТД. Заметим, что именно этот аспект ТД весьма актуален в свете развития энергосберегающих технологий, в том числе с точки зрения эффективности действия тепловой машины в различных режимах – теплового двигателя, теплового насоса и холодильника. Определение понятия эффективности для каждого из режимов и ее расчет, основанный на совместном применении 1-го и 2-го начал ТД для цикла Карно (две изотермы+две адиабаты) для произвольного рабочего тела с применением фазовой диаграммы температура – энтропия составляет содержание данной заметки.

Разумеется, подобный расчет отнюдь не является «новым словом» в учебной литературе для классических и технических университетов (см., например, содержательные книги [2-9]), однако, на наш взгляд, они все же не занимают там подобающего им места. Кроме того, во многих учебниках подробно обсуждается лишь прямой цикл Карно, тогда как обратный – в лучшем случае на уровне общей идеи (без расчета эффективности). Между тем в научно-популярной (а иногда, к сожалению, и в научной) литературе можно встретить утверждения о «более чем 100%-ном КПД» тепловой машины, что часто означает элементарную путаницу в понятиях и величинах.

Что касается действия тепловой машины в режима теплового насоса, то этот сюжет адекватно отражен лишь в уже упоминавшихся книгах […..].