Понять Россию умом

Известно, что машина Карно – самая эффективная среди всех возможных типов тепловых машин. Ее можно представить в виде цилиндра с поршнем без всяких клапанов, так что во всех циклах многократно используется одно и то же рабочее вещество. У нас должны быть еще два резервуара, в одном из которых для поддержания постоянной температуры Т1 используется энергия, источником которой может быть бензин, мазут, уголь. Температура Т2 второго резервуара поддерживается за счет постоянства температуры внешней среды. Например, машину Карно можно установить на берегу озера, которое будет служить холодным резервуаром с температурой около 290К, а в качестве горячего резервуара можно использовать кипящую воду. Предположим, что вокруг наполненного газом цилиндра поочередно циркулирует вода, то из горячего, то из холодного резервуара. При этом поршень будет совершать поступательные движения. Есть такой параметр: КПД (коэффициент полезного действия), определяющий, какую часть тепловой энергии, взятую из горячего резервуара, можно перевести в механическую.

Для цикла Карно КПД = (Т1 – Т2)/Т1. Так, если резервуарами машины Карно являются кипящая и замерзающая вода, то КПД = (373 К – 273 К)/373 К = 0,27.

Почти все тепловые электростанции в качестве источника высокой температуры используют кипящую воду. Поэтому их КПД (как было показано выше) не должен превышать 27%. Однако, если воду нагревать под давлением, то она будет закипать при значительно более высокой температуре. На тепловых электростанциях, работающих на минеральном топливе, используется перегретый пар под давлением с температурой порядка 500 К и выше. При этом добиваются КПД 40%. Атомные электростанции, которые используют ядерное топливо, из соображений безопасности работают при более низких давлениях и температурах, поэтому их КПД обычно ~ 30%.

Это значит, что большая часть получаемой из топлива энергии возвращается низкотемпературному резервуару в форме тепла. Эта энергия, в конечном итоге, полностью рассеивается и приводит к нагреву окружающей среды вблизи электростанции, т. е. прилегающих водоемов или атмосферы (если используются градирни). Такой нагрев окружающей среды – нежелательное явление и с ним борются. А ведь нам в наши холода это тепло могло бы пригодится.

Пойдем дальше. У нас стоят в домах электроплиты и широко продают электрообогреватели. А ведь в рамках того, что мы рассмотрели выше – это расточительство. Действительно, если топливо использовать непосредственно для обогрева здания, то можно достичь КПД почти 100%, в то время как КПД электростанции, вырабатывающей электрическую энергию для обогрева, составляет лишь около 30%. Поэтому при электрообогреве то же самое количество топлива, в конечном итоге, дает лишь одну треть тепла. Вспомните, что мы делаем, когда коммунальщики, экономя якобы мазут, не дают нам тепла осенью и весной? Эта экономия оборачивается перерасходом на ТЭЦ. Ведь мы «добираем» тепло с помощью электричества. И при этом очень неэкономно.

Пойдем дальше. Знаете ли вы, что холодильник выделяет больше тепла, чем берет электричества из сети? На самом деле, это очевидно. Ведь холодильник – своего рода тепловой насос, забирающий тепло от продуктов и передающий его наружу.

Все процессы расширения и сжатия в цикле Карно обратимы, а потому машину Карно можно заставить работать в обратном направлении. Поскольку все этапы обратимы, то можно ввести коэффициент преобразования холодильника и он будет равен отношению Т2/(Т1 – Т2). Он определяет отношение тепла, отобранного от холодного образца, к затраченной на это механической работе. И, как мы уже говорили, он обычно больше единицы.

Для обычного холодильника температура Т2 резервуара холода (испаритель) порядка 260 К (– 13 С). Горячим резервуаром служит комнатный воздух, температура которого в окрестности теплообменника Т1 310 К. При этом коэффициент преобразования холодильника равен 260/(310—260) = 5,2

Таким образом, мы видим, что на каждый джоуль электроэнергии, затраченной на работу компрессора, приходится 5.2 Дж тепла, отнятого от холодильной камеры, при условии, что используется эффективный цикл Карно.

Тепловой насос – это просто другое название холодильника, который, как мы убедились, представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его во внутрь дома, можно обогревать его.

В действительности эффективность бытовых тепловых насосов не достигает и половины теоретического значения. Но в Америке бытовые приборы этого типа уже давно существуют.