11.4. Термічний к. К. Д. І холодильний коефіцієнт циклів

Ефективність роботи теплової машини-двигуна тим вище, чим більше робота циклу l_ц і менше витрачена кількість теплоти (q₁). Тому ця ефективність характеризується відношенням

⁽⁵⁸⁾

Відношення кількості теплоти, перетвореної в позитивну роботу за один цикл, до всієї теплоти, підведеної до робочого тіла, називається термічним коефіцієнтом корисної дії прямого циклу.

Значення η_t є показником досконалості циклу теплового двигуна. Чим більше η_t , тим більша частина підведеної теплоти перетворюється в корисну роботу. Величина термічного к. к. д. циклу завжди менше одиниці й могла б дорівнювати одиниці, якби q₁ → ∞ або q₂ = 0, чого здійснити не можна.

Поршнева теплова машина може працювати як холодильна машина, якщо процес розширення робочого тіла 1-a-2 у координатах v, р розташовується під процесом стиснення 2-b-1 (мал. 11, б).

Холодильна машина призначена для створення температури нижче температури навколишнього середовища або, що те ж саме, для охолодження деяких тіл нижче температури навколишнього середовища. Охолоджуваним тілом у такій машині є нижче джерело теплоти (мал. 11, б), навколишнім середовищем - вище джерело теплоти.

Щоб підтримувати низьку температуру охолоджуваного тіла, потрібно безупинно відводити від нього теплоту q₂. Цей відвід у холодильному циклі відбувається в процесі розширення 1-а-3 робочого тіла, що цю теплоту сприймає й здійснює при цьому позитивну роботу l, чисельно рівну пл. c1a2d.

Повернення робочого тіла у вихідний стан відбувається в процесі стиснення 2-b-1, розташованому над процесом розширення, тобто що відбувається при більш високих температурних умовах. Ця обставина дає можливість передавати теплоту, що відводиться від робочого тіла, (q₁) вищому джерелу теплоти. На стиснення затрачається робота (l₁), обумовлена на графіку пл. с1b2d.

Рівняння першого закону термодинаміки для обох процесів з урахуванням алгебраїчних знаків перед складовими мають вигляд:

_{для процесу} 1-а-2 для процесу 2-b-1

І тут зміна внутрішньої енергії за цикл повинна дорівнювати нулю, чим і пояснюється розстановка алгебраїчних знаків перед ∆u у цих рівняннях.

_{Додавання} обох рівнянь по частинах дає або

Це вираження показує, що теплота q₁, передана вищому джерелу теплоти, складається з теплоти q₂, відібраної в охолоджуваного тіла, і роботи циклу l_Ц. Оскільки l₁ > l₂, то l_Ц < 0 і, отже, для безперервної роботи холодильної машини необхідно затрачати роботу.

Економічність роботи холодильної машини оцінюється так званим холодильним коефіцієнтом

що представляє собою відношення корисного ефекту в циклі, яким є теплота, що відбирається від охолоджуваного тіла, до здійснених для цього витрат, тобто роботи циклу.

На відміну від термічного ККД циклу двигуна холодильний коефіцієнт може бути й менше, і більше, і рівним одиниці.

Отримані вище формули для термічного коефіцієнта корисної дії та холодильного коефіцієнта є справедливими й для циклів довільної форми й становлять аналітичне вираження другого закону термодинаміки стосовно до теплових машин.

Звідси слідує, що:

• стовідсоткове перетворення теплоти в роботу за допомогою теплової машини-двигуна н е м о ж л и в о;

• для охолодження тіл нижче температури навколишнього середовища за допомогою холодильної машини повинна з а т р а ч а т и с я р о б о т а.

Наведені формулювання другого закону термодинаміки підкреслюють специфічність теплоти при її перетвореннях у механічну роботу. Якщо механічна робота (а також електрична робота, робота магнітних сил і т.п.) може бути цілком перетворена в теплоту, то зворотний повний перехід теплоти в механічну роботу неможливий навіть в ідеальній машині-двигуні. Частина цієї теплоти повинна бути передана низькотемпературному джерелу теплоти НДТ.

Другий закон термодинаміки констатує неможливість створення вічного двигуна другого роду у зв'язку з тим, що одержати роботу шляхом використання теплоти можна лише в тому випадку, якщо частина цієї теплоти передається холодному джерелу НДТ, тобто якщо є різниця температур.

Основним завданням технічної термодинаміки є визначення умов найбільш ефективної роботи теплових машин.