Science.tatsel.tu - Молекулярно-кинетическая теория  
  Испарение и
конденсация
Пленочное
кипение
Сверхтекучий
гелий
События и
мероприятия
Библиотека  


Испарение и конденсацияПленочное кипениеСверхтекучий гелийСобытия и мероприятияБиблиотека• История холода• Разделение газовых смесей БольцманиадаХейке Камерлинг-ОннесКриогениус


Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Холодильная машина

Чтобы подойти к понятию абсолютной температуры, повторим рассуждения, которыми руководствовался Томсон-Кельвин, но вместо идеальной тепловой машины Карно, которой он пользовался, применим идеальную холодильную машину4. такой ход рассуждений ничего не меняет в принципе, но для нашей цели он удобнее.

Итак, представим холодильную машину Карно (т.е. идеальную машину, предназначенную для отвода теплоты от тела, имеющего температуру То ниже температуры окружающей среды То.с0, на уровень Т0). Сама энергия не может непосредственно в форме теплоты перейти от менее нагретого тела к более нагретому; холод, как мы знаем, "сам" не получается5. Поэтому в идеальной холодильной машине необходимо затратить для ее работы некоторую работу L. Эта работа будет минимально возможной для выполнения задачи (ведь машина идеальная).

Схема такой машины, работающей в соответствии с идеей Карно (по обратному, т.е. холодильному, циклу Карно), показана на рис. 2.8. Самый простой ее вариант – это цилиндр с поршнем, в котором рабочее тело (например, воздух) может сжиматься под действием поршня или расширяться, воздействуя на него. В первом случае работа затрачивается, во втором – производится. На рисунке показаны последовательно четыре положения поршня, соответствующие четырем процессам, составляющим цикл. Положение 1 повторено дважды, чтобы нагляднее показать, как замыкается цикл, возвращаясь к исходной точке.

Схема машины, работающей по обратному циклу Карно
Рис. 2.8. Схема машины, работающей по обратному циклу Карно.

В процессе 1-2 газ, находящийся при температуре окружающей среды То.с, сжимается за счет затраты работы L1-2. При этом от цилиндра отводится в окружающую среду теплота Q1-2 в таком количестве, чтобы температура рабочего тела не возрастала (такой процесс при постоянной температуре называется изотермическим). Здесь пара цилиндр-поршень работает как компрессор.

После того как поршень придет в положение 2, проводится процесс расширения 2-3, в котором поршень производит (отдает) работу L2-3. Этот процесс проводится без подвода или отвода теплоты (стенки цилиндра в это время теплоизолированы). Здесь пара цилиндр-поршень работает как двигатель. Поскольку энергия от газа в форме работы отводится, а теплота не поступает, его внутренняя энергия U в соответствии с (2.2) уменьшается, и он охлаждается до Т3о.с. Полученный холодный газ в последующем процессе 3-4 продолжает расширяться производя работу L3-4 в отличие от условий процесса 2-3, к нему подводится теплота Q3-4 и в таком количестве, чтобы он дальше не охлаждался, а оставался при той же температуре Т3. Таким образом, процесс 3-4 тоже изотермический представляет как бы зеркальное отражение процесса 1-2: там работа подводится, но отводится теплота, а здесь наоборот, работа отводится, а теплота подводится. Но в обоих случаях отвод и подвод энергии сбалансированы так, что температуре не повышается и не понижается.

Наконец, последний, замыкающий процесс 4-1 состоит в том, что поршень снова сжимает газ и возвращается в положение 1. На это затрачивается работа L4-1, причем цилиндр теплоизолируется – теплота не подводится и не отводится. Температура рабочего тела возрастает до тех пор, пока не вернется к исходной, которая была в положении 1. Процесс 4-1 тоже "зеркально" аналогичен процессу 2-3. Оба они протекают в условиях тепловой изоляции цилиндра, но в противоположных направлениях. Такие процессы, при которых теплота не подводится и не отводится, называются адиабатными.

Подытожим теперь результаты, которые получились при проведении цикла 1-2-3-4. Прежде всего нужно отметить, что рабочее тело, пройдя все изменения температуры, давления и объема, вернулось в конце цикла в прежнее положение 1: "каким ты был, таким ты и остался". Следовательно, поскольку газ сделал свое дело и снова принял исходное состояние, его можно исключить из рассмотрения; его энергия вернулась к прежнему значению. Результаты работы цикла, оставшиеся без изменения, надо искать вне цилиндра.

Что получилось в итоге здесь?

Начнем с работы. Она была затрачена на сжатие газа в процессах 1-2 и 4-1; возвращена частично в процессах 2-3 и 3-4. Следовательно, общая затрата работы L на проведение цикла составит
L = L1-2+L4-1 - (L2-3+L3-4) (2.3)

Сумма первых двух членов правой части (2.3) больше, чем двух вторых6, это означает, что проведение цикла в итоге требует затраты работы, равной L. Что касается теплоты7 то итог работы цикла сводится к тому, что теплота Q3-4 подводится к рабочему телу на температурном уровне Тз4 и отводится (Q1-2) на более высоком уровне Т12. Если заставить цикл работать в условиях, когда температуры Т31 будут находиться на уровне температуры окружающей среды То.с, то машина, работающая по обратному циклу Карно, окажется именно тем устройством, о котором мечтал еще Ф. Бэкон. Она может отобрать теплоту на температурном уровне Т34, который ниже, чем уровень Т0, и отдать его на уровне температуры окружающей среды, т.е. "давать нам холод", не используя никаких внешних охлаждающих средств. Но это не дается даром, а требует определенной затраты работы, которая не может быть меньше L, нужной для машины, в которой осуществляется идеальный цикл – обратный цикл Карно.

Таким образом, была найдена идеальная модель устройства, позволяющего в принципе отвести теплоту с любого уровня температур, лежащего ниже температуры окружающей среды. Каждая холодильная или криогенная установка, какого бы типа она ни была и какими бы особенностями ни отличалась, в конечном счете работает на тех же принципах, на которых основан этот цикл. Первые изобретатели холодильных и крио-генных машин "нащупали" эти принципы на базе опыта, методом "проб и ошибок"; в дальнейшем, с последней четверти XIX в., эти принципы, как мы увидим, использовались уже сознательно.



Следующая страница: Абсолютная температурная шкала


    • Главная   • Библиотека   • История холода   • Холодильная машина  

  Испарение и конденсация Пленочное кипение Сверхтекучий гелий События и мероприятия
Библиотека Больцманиада Камерлинг-Оннес Криогениус
 
  © Science.Tatsel.ru 2006-2017.
Молекулярно-кинетическая теория. Научные публикации.
Испарение и конденсация. Плёночное кипение. Сверхтекучий гелий.
о проекте
условия использования
контакты
карта сайта