Четыре субрежима действия тепловой машины (любой цикл)

Дадим теперь анализ всех режимов тепловой машины для любого цикла, используя пока только 1-ое начало термодинамики (1). Очевидно, что в каждом из основных режимов 1) и 2) для тепловой машины в принципе возможны еще по два субрежима, так что в общей сложности имеются четыре субрежима: один в качестве теплового двигателя (1а), один в качестве холодильника (2б) и два в качестве теплового насоса (1б и 2а). Возникает вопрос: какие величины могут характеризовать «успешность», или эффективность действия тепловой машины в каждом из этих субрежимов? Нетрудно видеть, что такой величиной (для удобства – всегда положительной) является отношение «полезного» энергетического эффекта к произведенным энергетическим «затратам».

Тогда в режиме теплового двигателя (1а), детально рассмотренном во всех без исключения учебниках [2-9], такой величиной является отношение

η= W / Q ⁺=(Q ⁺+ Q ^–)/ Q ⁺=1+ Q ^–/ Q ⁺, 0<η<1, (3)

называемое коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Действительно, полезным эффектом здесь является совершаемая рабочим телом работа W >0, а затратой – количество теплоты Q ⁺>0, полученное от нагревателя; количество теплоты Q ^–<0 является в данном случае бесполезной «жертвой дракону», который «обеспечивает» периодичность действия тепловой машины; как уже отмечалось, при однократном действии в принципе возможна ситуация, когда Q ^–=0.

Можно, однако, рассматривать и другой субрежим (1б) действия тепловой машины в прямом направлении, а именно субрежим теплового насоса, когда рабочее тело «переносит» часть теплоты Q ⁺>0 от нагревателя (затраты энергии) к холодильнику Q ^–<0. В этом случае «бесполезной» является уже работа W >0, а эффективность тепловой машины для «потребителя» (термостата-холодильника) измеряется отношением

ξ=(– Q ^–)/ Q ⁺=1–η, 0<ξ<1. (4)

Аналогично, в режиме 2) (обратном направлении) также возможен субрежим теплового насоса (2а), когда рабочее тело также является «переносчиком» теплоты, но на этот раз от холодильника к нагревателю, так что полезный эффект – отдача теплоты Q ⁺<0, а «затрата» – работа W <0 окружения тепловой машины над рабочим телом. Иначе говоря, за счет совершения внешней работы W <0 принудительно «греется» и без того уже «горячее» тело, поэтому мерой эффективности действия тепловой машины в этом субрежиме является отношение

θ=(– Q ⁺)/(– W)= Q ⁺/(Q ⁺+ Q ^–)=1/η, 1<θ<∞. (5)

Очевидно, величина θ является обратной к η и, следовательно, всегда превышает единицу; ясно, что чем более эффективно действует тепловая машина в режиме теплового двигателя, тем она менее эффективна в качестве теплового насоса.

Наконец, в субрежиме (2б) тепловая машина работает в качестве холодильной машины, когда «полезным» является дальнейший отбор теплоты Q ^–>0 от холодильника; в этом случае эффективность действия тепловой машины определяется холодильным коэффициентом преобразования

χ=(– Q ^–)/(– W)= Q ^–/(Q ⁺+ Q ^–), χ=(1/η)–1, 0<χ<∞. (6)