9.1.3. Обратный цикл Карно

Цикл Карно с протеканием процессов против часовой стрелки называется обратным. Это цикл холодильных машин и тепловых насосов.

Для наглядности сравнения различных типов цикла Карно на рис.9.9 в диаграмме Т,s- представлены: а) - цикл двигателя, б) - цикл холодильной машины, в) - цикл теплового насоса. Для всех циклов окружающая среда выступает в зависимости от их предназначения в виде горячего или холодного источника теплоты с температурой Т_ОС.

В отличие от цикла двигателя (рис.9.9,а), где окружающая среда выступает в качестве холодного источника теплоты, в цикле Карно холодильной машины (рис.9.9,б) окружающая среда является горячим источником теплоты.

В холодильной установке осуществляется обратный цикл Карно, в котором рабочее тело забирает теплоту q₂ от охлаждаемого тела с температурой Т_Х и отдает теплоту q₁ в окружающую среду с температурой Т_ОС > T_Х. Для осуществления передачи теплоты от холодного тела к теплому затрачивается работа l_t, которая преобразуясь в теплоту q₁=l_t+q₂, вместе с q₂ передается окружающей среде. При заданных температурах охлаждаемого тела и окружающей среды обратный цикл Карно будет самым экономичным. Его холодильный коэффициент определяется только температурами T_ОС и T_х, и рассчитывается как

(9.10)

В тепловом насосе тоже осуществляется обратный цикл Карно (рис.9.9,в), но в этом цикле окружающая среда выступает в роли холодного источника теплоты. При работе теплового насоса даровая теплота внешней среды (т.е. отсутствует сжигание топлива и т.п.) q₂ за счет совершения работы l_t передается потребителю теплоты с температурой Т_ТП>Т_ОС, при этом работа l_t преобразуется в теплоту и общее количество теплоты, полученное потребителем, будет представлено величиной q₁=l_t+q₂. Коэффициент преобразования теплоты, характеризующий эффективность цикла Карно теплового насоса, определяется только температурами Т_ОС и Т_ТП, и расчитывается как

(9.11)

Холодильный коэффициент (9.10) и коэффициент преобразования теплоты (9.11) в циклах Карно при заданной температуре окружающей среды Т_ОС возрастают при увеличении Т_Х и уменьшении Т_ТП.

Обратимые циклы Карно холодильной машины и теплового насоса при постоянных температурах источников теплоты Т_ОС и T_Х или Т_ОС и Т_ТП имеют наибольшую экономичность по сравнению с другими циклами, имеющими такие же источники теплоты.

Анализируя обратный цикл Карно, можно привести следующие формулировки второго закона термодинамики:

Передать теплоту от холодного тела к горячему возможно только при затрате работы или другого компенсационного процесса;

Самопроизвольный переход теплоты от холодного тела к горячему невозможен.

Осуществить на практике обратимый цикл Карно невозможно, поскольку в природе не существует обратимых процессов, но он является эталоном экономичности, к которому должны стремиться реальные циклы с изотермическими источниками теплоты. Поскольку большинство реальных циклов имеют источники теплоты с переменной температурой, то для получения эталонного цикла Карно при таких источниках теплоты пользуются понятием среднетермодинамической температуры, используя его можно представить любой процесс подвода и отвода теплоты в виде изотерм (см. раздел 9.1.2).