Тепловые машины (№2)
Термодинамика не интересуется конкретным устройством тепловых машин, она анализирует общие закономерности взаимопревращений теплоты и механической работы. Среди устройств, которые термодинамика считает тепловыми машинами, оказываются не только привычные двигатели внутреннего сгорания и холодильники, но и величественный Гольфстрим, и разрушительные смерчи.
Тепловые машины — это периодически действующие устройства, переводящие теплоту и механическую работу друг в друга.
Если тепловая машина работает по прямому циклу (переводит теплоту в работу), то она называется тепловым двигателем.
Тепловая машина, работающая по обратному циклу (за счет потребления механической работы, отбирающая теплоту у нагретых тел), называется холодильной машиной.
Примером теплового двигателя может служить двигатель автомобиля, а холодильная машина стоит у вас на кухне — это холодильник. Тепловые машины с точки зрения термодинамики всегда содержат три элемента: два теплообменника — нагреватель и холодильник — и изолирующую среду — рабочее тело.
Рабочее тело предотвращает непосредственный контакт между теплообменниками, который неминуемо привел бы к уравниванию их температур и остановке машины. Последние два утверждения далеко не очевидные и по своей сути представляют следствия второго начала термодинамики.
Тепловой двигатель предназначен для производства работы, его эффективность определяется коэффициентом полезного действия (КПД), который можно выразить как отношение работы A, произведенной за цикл («польза»), к количеству подведенной за цикл теплоты Q1 («затраты»).
χ = Q2 / A = Q2 / (Q1 — Q2).
Эффективность холодильной машины определяется холодильным коэффициентом, который задается как отношение отбираемого количества теплоты Q2 («польза») к затраченной на это работе A («затраты»).
Все тепловые машины — периодически действующие устройства, и состояния рабочего тела периодически повторяются. Следовательно, изменения внутренней энергии рабочего тела за цикл равно нулю (U = 0), и, согласно первому началу термодинамики, тепловой двигатель за цикл производит работу, а холодильная машина — выделяет количество теплоты.
Смысл величин Q1, Q2 и направление передачи теплоты в тепловых машинах можно понять, рассмотрев следующий рисунок.
