Холодильна машина і тепловий насос

Рівноважний процес, як відомо, можна провести в зворотному напрямку так, що робоче тіло пройде через ті ж стани, але в зворотному порядку. При такому циклі не робоче тіло буде здійснювати роботу, а навпаки, над ним буде виконуватись робота. Результат оборотного процесу циклу Карно полягає в тому, що за рахунок здійснення зовнішніми тілами роботи A¢ над робочим тілом, тіло з меншою температурою T ₂ (холодильник), від якого береться кількість теплоти Q ₂⁽⁺⁾, охолоджується, а тіло з більшою температурою T ₁, якому передається кількість теплоти Q ₁^(-) нагрівається. При цьому робота зовнішніх сил перетворюється в теплоту і передається до нагрівника разом з кількістю теплоти віднятої від холодильника Q ₁ = Q ₂ + A.

Така машина, що працює за зворотнім циклом, в залежності від її призначення називається холодильною машиною або тепловим насосом і, на відміну від теплових двигунів, призначена не для одержання механічної роботи з теплоти, а дозволяє здійснювати охолодження або нагрівання різних тіл за рахунок виконання роботи.

Наприклад, домашній холодильник, виконуючи циклічний процес, знижує температуру в холодильній камері і підвищує її в кімнаті (за рахунок використання енергії електричного струму). На рисунку приведена енергетична схема роботи холодильної машини.

Ефективність теплового насоса, призначеного підвищувати температуру більш нагрітого тіла, визначається відношенням теплоти, отриманої нагрівником Q ₁^(-) до затраченої при цьому роботи А¢:

,

де – ККД циклу Карно. Враховуючи, що теплота Q ₂, яка відводиться від холодильника, завжди відмінна від нуля, обов'язково повинний бути більше одиниці.

Для теплового насоса, що працює за оборотним циклом Карно:

.

Ефективність холодильної машини визначається відношенням теплоти, віднятої від холодильника Q ₂⁽⁺⁾, до затраченої при цьому роботи А¢ і дорівнює

Для холодильної машини, що працює за оборотним циклом Карно

.

Оскільки в залежності від конкретної конструкції холодильної машини кількість теплоти Q ₂⁽⁺⁾, що відводиться від охолоджуваного тіла, може як перевищувати витрачену роботу А¢, так і бути менше неї, то ККД холодильної машини, на відміну від ККД теплової машини, може бути як більшим, так і меншим одиниці.

Аналізуючи роботу холодильної машини, цілком природно поставити питання: чи можливо без виконання роботи передати повністю частину теплоти від холодильника нагрівнику (| Q ₁|=| Q ₂|)? Відповідаючи на це питання, ми повертаємось до формулювання другого закону термодинаміки за Клаузіусом.