4.1.3. Ранжирование источников и стоков теплоты с помощью идеальной машины Карно.

Тепловая энергия является важной промежуточной формой энергии в процессах преобразования и при использовании всех видов энергоресурсов, как первичных (природных), так и вторичных. Основные тепловые потоки в энергетике, промышленности и коммунальном хозяйстве рождаются в результате сжигания ископаемого органического топлива.

Как следует из анализа функционирования машины Карно, чтобы перевести тепловую энергию в наиболее квалифицированную форму энергии – макроскопическую (механическую или электрическую) работу, помимо самого источника теплоты необходимо также наличие подходящего стока теплоты на более низком температурном уровне. Такого рода универсальным, наиболее доступным стоком в процессах преобразования теплоты в работу является окружающая человека природная среда, точнее циркулирующие в окружающей среде потоки воздуха, пресной или морской воды.

Пусть T – температура, при которой отводится теплота от данного источника тепловой энергии; T₀ – температура той части окружающей среды, которая может быть использована в качестве стока теплоты. Максимальная величина работы, которая может быть получена из отведенной теплоты Q от данного источника с помощью идеальной машины Карно, действующей между источником и окружающей средой, определяется формулой (4.3), в которой нужно положить и :

, (4.5)

где . Это простое соотношение позволяет ранжировать все источники тепловой энергии по их относительной ценности. Очевидно, что наибольшую энергетическую ценность представляет собой теплота, отведенная от высокотемпературных источников:

1 при .

Такими источниками, помимо химических процессов окисления углеводородного топлива, являются тепловыделение в активной зоне ядерного реактора; солнечное излучение, сфокусированное с помощью зеркальных отражателей, и др. Напротив, минимальную "потребительную стоимость" имеет теплота от источника, близкого по температуре к окружающей среде:

0 при 1.

Соответствующим образом могут быть ранжированы и потребители тепловой энергии в разнообразных сферах промышленного производства и коммунального хозяйства. Сначала рассмотрим то их множество, которое составляют эндотермические процессы, протекающие при температурах выше T₀. Пусть – количество теплоты, переданное потребителю при температуре T. Для того, чтобы перекачать данное количество теплоты от универсального теплового резервуара с температурой T₀ к потребителю, идеальной машине Карно, действующей в обратном цикле – цикле теплового насоса, потребуется затратить такую же по величине работу, какая была бы произведена в прямом цикле между теми же температурными уровнями T и T₀ (см. последний абзац предыдущего раздела 4.1.2). Таким образом, формула (4.5) остается справедливой и в этом случае, при отрицательных значениях и . При этом коэффициент приобретает более общий физический смысл, выражая "стоимость" единицы тепловой энергии данного потенциала по отношению к единице работы.

По поводу оценки "стоимости" потребленной тепловой энергии может возникнуть резонный вопрос, не рациональнее ли подвести требуемое количество теплоты потребителю не от окружающей среды, а от некоторого высокотемпературного источника с уровнем температуры , не только не затрачивая в таком варианте работу теплового насоса, а производя ее с помощью тепловой машины, действующей между температурными уровнями источника и потребителя T (см. рис. 4.3). Покажем, что термодинамического выигрыша такой вариант переноса энергии не дает (при использовании идеальных тепловых машин!). Действительно, для того, чтобы передать потребителю теплоту , тепловой машине, согласно уравнению сохранения энтропии (4.2), потребуется отвести от источника теплоту (в уравнении (4.2),

Рис. 4.3. Два эквивалентных варианта подвода теплоты к потребителю:
а) от высокотемпературного источника с температурой с помощью тепловой машины;
б) от окружающей среды с помощью теплового насоса, при одновременном независимом использовании теплового потока от высокотемпературного источника.

очевидно, необходимо сделать замены ; ; ; ). При этом тепловая машина произведет работу . Однако, такой вариант фактически означает потерю работы, которую можно было бы получить, если бы то же самое количество теплоты использовать в тепловой машине, взаимодействующей с окружающей средой, т.е. потерю работы . Складывая выигрыш и проигрыш в работе в рассматриваемом варианте, получим

т.е. те же самые затраты работы, что и при прямой перекачке теплоты от окружающей среды к данному потребителю.

Отдельного рассмотрения требуют системы, функционирующие при температурах ниже температуры окружающей среды. Наиболее часто встречающаяся ситуация – когда для поддержания в системе низкотемпературных процессов требуется отвод теплоты от системы (т.е. ее принудительное охлаждение). Естественным резервуаром для сброса отводимой теплоты является окружающая среда. Чтобы отобрать от системы с температурой 2 тепловой поток с помощью идеальной машины Карно, действующей в обратном цикле – в данном случае называемом циклом холодильной машины, потребуется перевести в окружающую среду, согласно уравнению сохранения энтропии (4.2), тепловой поток , затратив на это работу . Таким образом, и в этом случае для оценки "стоимости" отвода теплоты от системы справедлива формула (4.5), в которой "переводной" коэффициент становится отрицательной величиной. Формула показывает, что чем ниже температура системы, тем значительнее затраты работы на отвод единичного количества теплоты:

при 0.

Наконец, в том случае, когда в низкотемпературной системе протекают эндотермические процессы, система может быть использована как сток теплоты для тепловой машины, забирающей теплоту от окружающей среды. По аналогии с предыдущим легко установить, что производство работы также будет выражаться формулой (4.5), в которой 0 и 0 (теплота, отдаваемая низкотемпературной системе). Можно сказать, что такая машина работает "на холоде".

Относительно оценки затрат энергии, необходимых для охлаждения системы при , так же может быть поставлен вопрос, не рациональнее ли в качестве стока теплоты в этом случае использовать не окружающую среду, а некоторую систему, потребляющую теплоту при промежуточной температуре , так как затраты работы при этом, очевидно, снижаются. Как и в рассмотренной выше ситуации в области , такой вариант использования третьего теплового резервуара термодинамического выигрыша не дает, поскольку теряется работа тепловой машины, действующей между окружающей средой и указанным резервуаром с промежуточной температурой .

Итак, при любых сценариях преобразования теплоты в работу и обратно, представленных единой схемой на рис.4.4, так сказать, "биржевой курс" теплоты по отношению к более квалифицированной форме энергии – макроскопической работе выражается общей формулой (4.5). Потребует дополнительного обсуждения (см. раздел 4.2.3) вопрос о выборе значения  T₀ в качестве характеристики базового теплового резервуара.

Рис. 4.4. Четыре сценария использования циклического процесса Карно: а) тепловой двигатель; б) тепловой насос;

в) холодильная машина; г) двигатель, работающий " на холоде".

В заключение данного раздела необходимо еще раз обратить внимание на то, что знаки потоков энергии в формуле (4.5) определены во всех случаях по отношению к тепловой машине.