Термотрансформаторы

Обсудим предварительно некоторые необходимые для дальнейшего изложения понятия и определения.

Потенциал (от лат. potential = сила) – источники, возможности, средства, запасы, которые могут быть приведены в действие, использованы для решения какой-либо задачи, достижения определённой цели. В физике потенциалом (скалярным) называется потенциальная энергия, отнесённая к единице органично связанной с этой энергией субстанции. Наиболее распространённый пример потенциала – электростатический потенциал, т.е. потенциальная энергия поля, создаваемого каким-либо источником, отнесённая к единичному положительному пробному электрическому заряду. Потенциал в физике (так же как и потенциальная энергия) всегда определён с точностью до произвольной постоянной, что является несущественным, так как имеет смысл только разность значений потенциала в различных точках физического пространства. Можно сказать, что разность потенциалов является причиной движения зарядов (если такое движение физически осуществимо – в частности, в случае электрических зарядов необходимо также наличие проводника).

Термодинамическая температура T в рамках определения потенциала также может рассматриваться как некий термический потенциал, так как согласно II началу термодинамики распространение энергии в форме теплоты возможно только в неизотермических условиях, т.е. при наличии разности температур, разности термических потенциалов. Причём, как и в случае любых других потенциальных полей, субстанция (теплота, точнее внутренняя энергия или энтальпия) распространяется из областей с более высоким термическим потенциалом в области с более низким потенциалом.

«Ценность» носителя потенциальной энергии характеризуется как величиной обобщённого заряда, так и значением его потенциала. В самом деле, при одинаковых расходах воды мощность гидроэлектростанции равнинной реки будет меньше, чем мощность горной реки. Теплота также может характеризоваться температурным потенциалом. Понятно, теплота с температурным потенциалом, близким к температуре окружающей среды, не обладает практической ценностью. Имея в виду цели отопления, укажем, что теплоту к помещению следовало бы подводить при температуре чуть выше комфортной, не более. Однако все природные источники теплоты (органическое топливо, ядерное топливо и т.д.) выделяют её при сгорании при значительно более высоких температурах, т.е. с высоким температурным потенциалом. Совместное использование прямого и обратного циклов (теплового двигателя и теплового насоса) позволяет понизить температурный потенциал T ₁ некоторого количества теплоты Q ₁ до потенциала T ₂ другого, большего, количества теплоты Q ₂. Эта ситуация полностью аналогична ситуации с электрическими трансформаторами, поэтому такие преобразователи тепла получили название термотрансформаторов. Как и электротрасформаторы, термотрансформаторы могут быть как понижающими, так и повышающими. Обсудим принцип работы понижающего термотрансформатора, считая для простоты тепловой двигатель и тепловой насос работающими соответственно по прямому и обратному циклам Карно (рис.14.8).

В прямом цикле Карно верхний высокопотенциальный источник тепла с температурой T ₁ за цикл отдаёт рабочему телу в изотермическом процессе количество теплоты

численно равное площади прямоугольника , и в процессе получения работы (площадь ) отдаёт на температурный уровень T ₂ количество теплоты, равное по модулю

Работа L _o, полученная в прямом цикле, используется для привода теплового насоса (площадь ), который, отнимая от окружающей среды (атмосферы, воды) за цикл количество теплоты

передаёт на температурный уровень T ₂ количество теплоты

В результате получаем, что количество теплоты с повышенным потенциалом T ₁ преобразуется понижающим термотрансформатором в количество теплоты

Определим коэффициент трансформации отношением

где – соответственно холодильный коэффициент обратного цикла и термический КПД прямого цикла.

В случае с повышающим термотрансформатором рассуждения остаются теми же самыми с заменой знаков теплоты на противоположные.