Обращённый цикл Карно: холодильная машина
1 · Прогноз
Запуск цикла Карно назад превращает двигатель в холодильник — чистая работа входит, а не выходит. Всё ли ещё газ поглощает теплоту из холодного резервуара, как настоящий холодильник, выкачивающий теплоту из своей камеры?
- Нет — обращение цикла также меняет местами резервуары поглощения теплоты.
- Обращённый цикл не обменивается теплотой ни с одним резервуаром.
- Да — обращённый цикл поглощает теплоту с холодной стороны и сбрасывает больше теплоты на горячую, используя для этого подводимую работу.
2 · Подготовка
- Откройте пресет холодильной машины Карно и нажмите «Сброс». Те же 4 участка, что в цикле Карно, идут в обратном порядке.
- Включите показание работы по участкам и показания холодильного/отопительного коэффициента.
- Для каждого участка цикла (от 1 до 4) считайте целевой объём участка и работу, совершённую газом на этом участке.
3 · Сбор данных
| Номер участка | Целевой объём участка V (L) | Работа газа на участке (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Набросайте P-V-диаграмму, обводя участки по порядку. Сравните направление обхода (по или против часовой стрелки) с диаграммой эксперимента цикла Карно.
4 · Анализ
- Просуммируйте значения работы всех 4 этапов — итог (чистая работа, совершённая ГАЗОМ) должен выйти отрицательным: газу нужно подводить чистую работу. Вычислите холодильный COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 и отопительный COP = Th/(Th − Tc) = 2.0.
- Сравните порядок участков здесь с порядком в цикле Карно. Объясните, как простое обращение последовательности тех же 4 участков превращает цикл из двигателя (чистая работа наружу) в холодильник (чистая работа внутрь).
5 · Развитие
- Холодильный коэффициент 1.0 значит, что холодильник выносит 1 J теплоты из холодного пространства на каждый 1 J подведённой работы. Отопительный коэффициент 2.0 (режим теплового насоса) значит доставку 2 J теплоты в тёплое пространство на 1 J работы. Объясните, почему COP_heat всегда ровно на 1 больше COP_cool для тех же резервуаров.
- В отличие от КПД двигателя (всегда ≤ 1), COP может превышать 1 — и это не нарушение сохранения энергии. Объясните, почему COP > 1 возможен: дополнительная доставленная энергия берётся из охлаждаемого резервуара, а не создаётся из ничего.
Физика этого эксперимента
Холодильный коэффициент производительности
Холодильная производительность обращённого цикла Карно измеряется величиной COP_cool = Tc/(Th − Tc): сколько тепла отводится из холодной части на единицу подведённой работы. Чем меньше перепад температур, тем лучше (выше) COP.