Обратимое преобразование теплоты.

                  Клаузиуса.

Потребителями низкопотенциального тепла являются системы горячего водоснабжения и отопления. На входе в систему водяного отопления температура теплоносителя должна составлять 90 С, а на выходе+50 С. Повышение температуры выше 90 С недопустимо из санитарно-гигиенических требований.

Прямое сжигание топлива для получения низкопотенциальной теплоты с термодинамической точки зрения - абсурдно. Еще более расточи-

тельно прямое использование для отопления электроэнергии. Преобразование теплоты в работу невозможно без уплаты энергетического налога, часть тепловой энергии необходимо отдать более холодному телу, в качестве которого обычно выступает окружающая среда. Работа или электрическая энергия преобразуются в теплоту сравнительно легко в необратимых процессах типа выделения тепла Джоуля-Томсона при прохождении тока через проводник. Спрашивается, можно ли перевести работу в теплоту с помощью обратимого процесса, и каковы закономерности этого преобразования? Ответ на этот вопрос был дан уже на заре создания термодинамики в работе Клаузиуса.

Изучим доводы, приведенные в оригинальной работе Клаузиуса, на основании которых затем сформулируем основные принципы обратимого преобразования работы в теплоту, дадим представления о термотрансформаторе и тепловом насосе.

Рассмотрим три тела с температурами Т , Т₁ ,Т₀ (см.рис.2.5.1). Пусть Т >Т₁> Т₀ . Рабочее тело приводится в контакт с этими телами и совершает цикл, изображенный на рис.2.5.2.

 

Рис.2.5.1 Система трех тел.                Рис.2.5.2 Цикл Клаузиуса.

Размеры тел велики и тепло-

  обмен с рабочим телом не

  изменяет их температуры.

Пусть рабочее тело сначала имеет температуру Т и находится в состоянии а (см.рис.2.5.2). После адиабатического расширения а - в температура падает до Т₁. Приведем теперь рабочее тело в соприкосновение с телом К₁ с температурой Т₁ (точка в ). При изотермическом расширении в-с рабочее тело получает количество тепла Q₁. Затем на участке c-d происходит адиабатическое расширение с понижением температуры до Т₀. Рабочее тело приводится в соприкосновение с телом К₀ с температурой Т₀ , а затем изотермически сжимается при температуре Т₀  (участок d-e) до тех пор, пока отдаваемое телом количество тепла Q₂ телу К₂ не станет равным Q₁. Сжатие на участке d - e продолжается дольше, чем расширение на участке b-c, т.к. давление в среднем меньше, а нужно совершить такую же работу, как и при расширении b-c (Q₂ = Q₁ ). В точке e изотермическое сжатие останавливается, и затем совершается адиабатическое сжатие до тех пор, пока температура рабочего тела не повысится до Т (участок e- f). Состояние f и a находятся при одной температуре Т. Если привести рабочее тело в контакт с телом К при температуре Т, то можно провести изотермическое расширение из точки f до точки а. Рабочее тело при этом получает тепло Q от тела К. Цикл замыкается.

В рассмотренном процессе тепло Q , взятое от тела К, преобразовано в работу L   , равную площади криволинейной фигуры a-b-c-d-e-f-a. Этот процесс обратим. При прохождении цикла в обратном направлении  (против часовой стрелки) тело К получает тепло Q , а совершаемая работа равна площади цикла.

Таким образом, при обратимом преобразовании теплоты в работу часть тепла от более горячего тела отдается более холодному. При обратном преобразовании работы в теплоту часть тепла, взятого у холодного тела К0 отдается более горячему.