Тепловой насос

19

Тепловой насос

Все мы привыкли к электрическим нагревателем. Достаточно включить такой нагреватель в сеть, и через некоторое время в комнате ставится теплое — энергия электрического тока в нем превращается в тепло. Электрический нагреватель очень прост в устройстве и по существу представляет собой нагревательную спираль — резистор. Превращение электрической энергии в тепло осуществляется практическим полностюдо, за исключением той небольшой доли энергии, которая идет на световое излучение, если спираль достаточно раскалена и светится. Кстати, с этой точки зрения электрическая лампочка не такой хороший нагреватель, как скажем электрокамин, так как у нее несколько процентов мощности уходит в виде светового излучения. Но все-tаки, как ни странно, она скорее нагреватель, чем источник света, то есть она в основном греет, а не светит.

Казалось бы, электрический нагреватель идеально справляется со своей задачей, преобразуя практические всю энергию тока в необходимое тепло. А нельзя ли нам, затратив неокоторую энергию, получить тепла, скажем, в два раза больше и тем самым экономить расходы на нагревание? На первый взгляд, это абсolutно невозможно и противоречит закону сохранения энергии. Однако не будем торопиться и прробуем разобрать в этом во-просе подробнее. И научем с … холодной машины, а попросту — холодильника.

Холодильник отбирает тепло от внутренней emкость, где поддерживается низкая температура, и отделяет его в комнату. Сам по себе такой процесс иденти не может. Тепло не может перейти само собой от холодного тела к горячему (это одна из формулировок второго начала термодинамики).

«Обратная» теплопередача требует постоянного подвода энергии — работы компрессора холодильника. Детали устройства холодильника нам не существует, но затем, что для его функционирования всегда необходима энергия.

Пусть в результате совершения работы А холодильник отбрала у морозильной камеры количество теплоты $Q_2$. Тогда, согласно закону сохранения энергии, в комнате выделилось количество теплоты $Q_1 = Q_2 + A$. Понятно поэтому, что при работе холодильника, даже с открытой дверцей, в комнате ставится теплое.

Попробуем найти коэффициент полезного действия холодильника. Но прежде всего помним о тепловом дигателе, принципиустройства и работы которого точно такой же, как и у холодильной машины. По существу холодильная машина это тепловой дигателе, работающий по обратному циклу.

Как вы знаете, рабочое тело дигателя (рис. 1) получает от нагревателя количество теплоты $Q_1$, совершает работу $A'$ и obtains холодильнику (не путайте с холодильной машиной!) количество теплоты $Q_2 < Q_1$. Максимальный коэффициент полезного действия идеального теплового дигателя равен

$$\eta_{\text{max}} = \frac{A'}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = \frac{T_1 - T_2}{T_1},$$

где $T_1$ — температура нагревателя, а $T_2$ — температура холодильника.

КПД холодильника $\eta_x$ определяется отношением количества теплоты, отбраемого у морозильной камеры, к необходимой для этого работе. Для