Процесс расширения с совершением внешней полезной работы

Поток вещества, перемещаясь из области высоких давлений в область более низких, мог бы совершать полезную внешнюю работу, однако при дросселировании нет условий для совершения такой работы. Эту работу можно получить с помощью турбодетандера (машина, в которой происходит перемещение и расширение среды с совершением внешней работы), если сразу за дроссельным отверстием поместить рабочее колесо турбодетандера. Тогда кинетическая энергия потока, вместо того чтобы вследствие трения переходить в тепло как в процессе дросселирования, используется для получения полезной работы.

Эта внешняя работа может быть «снята» с вала турбодетандера и затем использована. Кроме того, температура потока за турбодетандером не будет повышаться за счет сообщения ему теплового эквивалента потерянной на трение кинетической энергии.

Если такой процесс расширения с совершением внешней работы осуществляется без каких-либо потерь и без теплообмена с внешней средой, то энтропия потока не изменяется и, следовательно, процесс происходит изоэнтропно.

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша)

Этот эффект происходит без совершения внешней полезной работы и создается с помощью так называемой вихревой трубки.

Рис. Схема вихревой трубы

Сжатый газ вводится обычно при температуре окружающей среды в цилиндрическую трубу 1 через сопла 3 по касательной к внутренней поверхности трубы.

Поступивший в трубу 1 газ совершает вращательное движение по отношению к оси трубы и перемещается от сопла 3 к тому концу трубы, где размещен вентиль 4.

При этом часть периферийного потока выходит, из трубы 1 с температурой более высокой, чем температура поступающего газа, а часть противотоком проходит к центральной части трубы и выходит через диафрагму 2 с температурой более низкой, чем начальная. Поток газа с низкой температурой используется для охлаждения, а с высокой температурой - для нагревания.

Эффект Пельтье

Этот эффект положен в основу термоэлектрического охлаждения. Сущность его заключается в том, что при прохождении, электрического тока через цепь, составленную из разнородных проводников в местах контактов (спаев) в зависимости от направления тока выделяется или поглощается некоторое количество тепла Qn

Разнородность проводников характеризуется различием энергии носителей тока (электронов, «дырок»).

Чем больше алгебраическая разность величин этой энергии, тем сильнее проявляется эффект Пельтье, тем больше выделяется или поглощается тепла в спаях проводников.

Коэффициент, отражающий указанное качество различных про­водников (ветвей термоэлемента), назван коэффициентом Пельтье П.

Количество тепла Пельтье Q_П прямо пропорционально силе тока

Q_П = П*I (3.3.)

Снижение температуры спая (поглощения теплоты Пельтье) происходит в том случае, когда под воздействием электрического поля электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента в другую, переходят в новое состояние с более высокой энергией. При этом повышение энергии электронов происходит за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжения.

При обратном направлении движения тока электроны, переходя на более низкий энергетический уровень, отдают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спай термоэлемента.

В обоих случаях поглощение или выделение тепла происходит непосредственно вблизи контакта ветвей термоэлемента, так как тепловое равновесие наступает на расстоянии всего нескольких десятков соударений электрон-атом. В этом случае возникновение электрического тока обусловливается термоэлектродвижущей силой (т.э.д.с.), возникающей в результате диффузии электронов и «дырок» из более нагретых мест в менее нагретые.