ТЕПЛОВЫЕ И ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Первый и второй законы термодинамики определяют работу периодически действующих тепловых и холодильных машин, предназначенных для превращения теплоты в механическую работу и обратно. Поэтому иногда этим законам дают другие формулировки, которые, по существу, совпадают с приведенными выше, но в отличие от них содержат конкретные упоминания области применения этих законов.

Первый закон термодинамики утверждает:

невозможно построить такую периодически действующую тепловую машину, которая, не получая никакой энергии извне, совершала бы некоторое количество внешней работы и возвращалась точно в исходное состояние.

Многократно повторяя такой цикл, можно было бы совершить в окружающей среде любое количество внешней работы без каких-либо последствий для машины и без какого-либо расхода энергии из окружающей среды. Машины, которые могли бы работать таким образом, называются вечными двигателями (или «перпетуум мобиле») первого рода. Первый закон термодинамики утверждает, что перпетуум мобиле первого рода невозможен.

Рис. 11.8

Такой невозможный цикл работы тепловой машины схематически изображен на рис. II.8. Здесь основные параметры состояния машины, ее внутренняя энергия. При этом предполагается, что в результате каждого такого цикла внутри машины никаких остаточных изменений нет и машина вместе со всеми находящимися внутри нее телами в точности возвращается в исходное состояние.

Однако первый закон термодинамики допускает существование любых тепловых машин, которые совершали бы механическую работу за счет полученной извне теплоты. Второй закон термодинамики ограничивает возможности превращения теплоты в механическую работу:

невозможно построить такую периодически действующую тепловую машину, которая, получив извне некоторое количество теплоты при любой температуре, целиком превращала бы ее в механическую работу и при этом возвращалась точно в исходное состояние.

Многократно повторяя такой цикл, можно было бы превратить в механическую работу огромные запасы теплоты, имеющиеся в морях и океанах. Машины, которые могли бы выполнять такую задачу, называются вечными двигателями (или «перпетуум мобиле») второго рода. Цикл работы таких машин изображен схематически на рис. 11.9.

При этом предполагается, что в результате каждого такого цикла внутри машины никаких остаточных изменений не происходит, а в окружающей среде только исчезает теплота и совершается механическая работа Таким образом, второй закон термодинамики утверждает, что перпетуум мобиле второго рода невозможен.

Первый и второй законы термодинамики допускают периодическую работу тепловых машин только по схеме, приведенной на рис. 11.10.

Рис. 11.9

Рис. 11.10

Источник теплоты, откуда машина берет энергию должен иметь более высокую температуру, чем холодильник, которому машина отдает неиспользованную часть энергии

Идеальными тепловыми машинами называются такие машины, которые работают на равновесных и обратимых циклах. Такие машины, если их работу провести в обратном направлении, могут отнять у холодильника теплоту израсходовать ту же самую работу совершаемую теперь внешними силами, и вернуть нагревателю теплоту которая была взята у него при работе в прямом направлении. При этом изменения, происходящие в машине и в окружающей среде при обратном цикле, точно повторяют изменения, которыми сопровождался прямой цикл. Можно показать, что при заданных температурах источника теплоты и холодильника коэффициент полезного действия

всех идеальных тепловых машин, работающих как в прямом, так и в обратном направлениях, независимо от их конструкции, состава рабочего вещества и характера совершаемого в машине цикла одинаков

и равен

Если бы имелись две идеальные тепловые машины с различными коэффициентами полезного действия, то, заставляя одну из этих машин работать в прямом, а вторую — в обратном направлении, можно было бы осуществить перпетуум мобиле второго рода, что невозможно.

Машины, работающие по обратному циклу (т. е. забирающие теплоту от тел с низкой температурой и отдающие ее телам с высокой температурой), позволяют более экономно расходовать энергию, предназначенную для нагревания, например для отопления жилых и пройзводственных зданий и т. д. Допустим, что для этой цели имеется некоторое количество электрической энергии Если всю эту энергию превратить, в теплоту непосредственно, то будет получено джоулей теплоты. Однако можно этой энергией привести в действие машину, работающую по обратному циклу. Такая машина получит из окружающей среды теплоту при низкой температуре и передаст потребителю джоулей теплоты при необходимой высокой температуре. Таким образом, без машины потребитель получил бы а при наличии машины он получает джоулей теплоты, причем на работу самой машины никакая другая энергия, кроме не расходуется. Можно утверждать, что в данном случае машина работает как «тепловой насос, выкачивающий теплоту из резервуара с низкой температурой и накачивающий его в резервуар с высокой температурой».