Warto przeczytać

Silnik cieplny to urządzenie, w którym ciepło przepływa w naturalnym kierunku: od zbiornika o wyższej temperaturze TIndeks dolny 1₁ do zbiornika o niższej temperaturze TIndeks dolny 2₂, a część tego ciepła zamieniane jest na pracę mechaniczną W (Rys. 1a.).

RUCzKCj8eNLG0

Rys. 1. Rysunek składa się z dwóch części. W obydwu częściach są pewne elementy wspólne. Na górze każdej części narysowano czerwony prostokąt o zaokrąglonych rogach. W środku prostokąta jest umieszczona wielka litera T z indeksem dolnym 1. Prostokąt ten symbolizuje zbiornik ciepła o wyższej temperaturze. Dokładnie pod czerwonym prostokątem, w pewnej odległości poniżej umieszczono niebieski prostokąt o zaokrąglonych rogach, wewnątrz którego zapisano T dwa mniejsze od T jeden. Litery T są wielkie, a cyfry umieszczone w indeksie dolnym. Prostokąt ten symbolizuje zbiornik ciepła o niższej temperaturze. W środku pomiędzy prostokątami, zbiornikami ciepła znajduje się trzeci element w kształcie prostokąta. Do prawego pionowego boku prostokąta doklejono element w kształcie pionowej rury, który zagina się do dołu i w prawo. Ten element symbolizuje urządzenie cieplne. Element ten dodatkowo podkreślono, otaczając go prostokątną ramką z przerywanej linii. Różnice między obrazkami są następujące. W lewej części, pod obrazkiem znajduje się podpis a) silnik cieplny. Dla silnika cieplnego pokazano czerwoną strzałkę wychodzącą z czerwonego prostokąta i skierowaną pionowo w dół do środkowego prostokąta. W strzałce zapisano dużą literą Q z indeksem p (małą literą). Na prawo od strzałki zapisano ciepło pobrane. Z rury doklejonej do środkowego prostokąta wychodzi na zewnątrz prostokąta skierowana poziomo w prawo strzałka, w której zapisano dużą literą W. Nad strzałką zapisano słowo praca. Z dolnej części środkowego prostokąta wychodzi niebieska, skierowana pionowo w dół strzałka prowadząca do niebieskiego prostokąta. W strzałce zapisano dużą literą Q z pisanym małymi literami indeksem dolnym od. Na prawo od strzałki zapisano ciepło oddane. W prawej części, pod obrazkiem znajduje się podpis b) pompa ciepła. Dla pompy pokazano niebieską strzałkę wychodzącą z niebieskiego prostokąta i skierowaną pionowo w górę do środkowego prostokąta. W strzałce zapisano dużą literą Q z indeksem p (małą literą). Na prawo od strzałki zapisano ciepło pobrane. Do rury doklejonej do środkowego prostokąta wchodzi do wewnątrz prostokąta skierowana poziomo w lewo strzałka, w której zapisano dużą literą W. Nad strzałką zapisano słowo praca. Z górnej części środkowego prostokąta wychodzi czerwona, skierowana pionowo w górę strzałka prowadząca do czerwonego prostokąta. W strzałce zapisano dużą literą Q z pisanym małymi literami indeksem dolnym od. Na prawo od strzałki zapisano ciepło oddane.

W pompie ciepła zaś ciepło przepływa w odwrotnym kierunku: od zbiornika o niższej temperaturze do zbiornika o wyższej temperaturze. Aby to było możliwe, pompa musi pobierać energię z zewnątrz, czyli praca wykonywana jest przez siłę zewnętrzną (Rys. 1b.).
Przepływy energii w silnikach i pompach cieplnych najłatwiej zrozumieć, gdy odwołamy się do porównania z silnikami i pompami hydraulicznymi.

Pompa hydrauliczna pompuje wodę z niżej położonego zbiornika do zbiornika położonego wyżej, na przykład do wieży ciśnień (Rys. 2.). Pobiera przy tym energię, którą zużywa na zwiększenie energii potencjalnej wody. Ruch wody do góry jest wymuszony. Podobnie jest w pompie ciepła. Przepływ ciepła następuje od miejsca o niższej temperaturze do miejsca o wyższej temperaturze, w kierunku odwrotnym niż naturalny. I tak, jak w pompie hydraulicznej pompującej wodę na wyższy poziom, pompa ciepła potrzebuje energii dostarczonej z zewnątrz.

R79cw4NHNNaXb

Rys. 2. Na zdjęciu przedstawiono wieżę ciśnień we Wrocławiu. Wieża jest wysokim, wykonanym z cegły budynkiem, zbudowanym na planie ośmioboku. W podstawie wieży znajdują się pomieszczenia o różnych funkcjach. Wysoko nad nimi, wsparte na kolumnach, znajduje się pomieszczenie, będące w oryginale zbiornikiem do gromadzenia wody. Szczyt wieży jest zakończony kopułą z metalu. Obok głównej wieży dostawiona jest dodatkowa wieżyczka o podobnej wysokości, lecz dużo mniejszej powierzchni.

Kiedy woda spiętrzona na wyższym poziomie może swobodnie popłynąć w dół, można użyć ją do napędu turbiny wodnej, czyli silnika hydraulicznego (Rys. 3.). Podobnie ciepło płynące w naturalnym kierunku - od miejsca o temperaturze wyższej do miejsca o temperaturze niższej - może być wykorzystane do napędu silnika cieplnego.

RdQWIQnV0md3T

Rys. 3. Na zdjęciu przedstawiono halę, w której znajdują się turbiny wodne. Widoczne są metalowe obudowy turbin. Mają one kształt łuku zbudowanego na połowie koła. Każda turbina składa się z dwóch takich łuków. Pomiędzy nimi znajduje się łącznik. Na zdjęciu przedstawiono kilka turbin ustawionych jedna za drugą.

W silniku cieplnym ciepło pobrane ma zawsze większą wartość niż ciepło oddane (Rys. 1a.). Część ciepła pobranego zamieniana jest na pracę. Z zasady zachowania energii wynika, że suma ciepła oddanego QIndeks dolny od_od i pracy W, wykonanej przez silnik, równa jest ciepłu pobranemu QIndeks dolny p_p .

A jak zapisać bilans energii dla pompy ciepła? Na Rys. 1b. widać, że wartość ciepła pobranego jest w tym przypadku mniejsza od wartości ciepła oddanego. Aby zasada zachowania energii była spełniona, do układu musi być doprowadzona energia, zwykle jest to energia elektryczna. Suma ciepła pobranego QIndeks dolny p_p i pracy prądu elektrycznego W równa jest ciepłu oddanemu QIndeks dolny od_od .

Zauważmy, że lodówka i klimatyzator pracują na takiej samej zasadzie jak pompa ciepła. W każdym z nich ciepło jest przenoszone od miejsca o niższej temperaturze do miejsca o wyższej temperaturze. Różne są zastosowania tych urządzeń i różne miejsca pobierania i oddawania ciepła. Pompa ciepła służy do ogrzewania domu, więc pobiera ciepło na zewnątrz domu i oddaje wewnątrz (Rys. 4a.). Klimatyzator odwrotnie, ochładza wnętrze domu, pobiera więc ciepło wewnątrz domu, a oddaje na zewnątrz (Rys. 4c.). Na pewno zdarzyło ci się poczuć gorący powiew z ujścia klimatyzacji. Lodówka ma za zadanie utrzymywać w niskiej temperaturze produkty spożywcze, ciepło jest więc pobierane z wnętrza lodówki i oddawane na zewnątrz (Rys. 4b.).

R1JMxcyGEENPC

Rys. 4. Rysunek składa się z trzech części. Każda z nich wygląda tak samo, różni się jedynie oznaczeniami. Na górze każdej części narysowano czerwony prostokąt o zaokrąglonych rogach. Prostokąt ten symbolizuje miejsce, cieplejsze od otoczenia, do którego oddawane jest ciepło. Dokładnie pod czerwonym prostokątem, w pewnej odległości poniżej umieszczono niebieski prostokąt o zaokrąglonych rogach. Prostokąt ten symbolizuje miejsce, z którego pobierane jest ciepło. W środku pomiędzy prostokątami symbolizującymi te miejsca znajduje się trzeci element w kształcie prostokąta. Do prawego pionowego boku prostokąta doklejono element w kształcie pionowej rury, który zagina się do dołu i w prawo. Ten element symbolizuje urządzenie cieplne. Element ten dodatkowo podkreślono, otaczając go prostokątną ramką z przerywanej linii. Dla pompy pokazano niebieską strzałkę wychodzącą z niebieskiego prostokąta i skierowaną pionowo w górę do środkowego prostokąta. W strzałce zapisano dużą literą Q z indeksem p (małą literą). Do rury doklejonej do środkowego prostokąta wchodzi do wewnątrz prostokąta skierowana poziomo w lewo strzałka, w której zapisano dużą literą W. Z górnej części środkowego prostokąta wychodzi czerwona, skierowana pionowo w górę strzałka prowadząca do czerwonego prostokąta. W strzałce zapisano dużą literą Q z pisanym małymi literami indeksem dolnym od. W pierwszej części obrazka umieszczonej po lewej stronie, niebieski prostokąt jest oznaczony jako otoczenie domu, a czerwony, jako wnętrze domu. W drugiej części, umieszczonej w środku obrazka, niebieski prostokąt symbolizuje wnętrze lodówki, a czerwony otoczenie lodówki. W trzeciej części, umieszczonej po prawej stronie obrazka, niebieski prostokąt oznaczony jest jako wnętrze domu, a czerwony jako otoczenie domu.

Każdy cykl termodynamiczny możemy przedstawić na wykresie zależności ciśnienia od objętości. Jak odróżnić wykres cyklu pompy ciepła od wykresu cyklu silnika cieplnego?

Rozważmy cykl przemian gazowych składających się z dwóch przemian izobarycznychprzemiana izobarycznaprzemian izobarycznych i dwóch przemian izochorycznychprzemiana izochorycznaprzemian izochorycznych (Rys. 5.).

RRsnEdUkbSN5w

Rys. 5. Na rysunku przedstawiono układ współrzędnych. Pozioma oś układu związana jest z objętością, oznaczenie osi to duża litera V. Oś pionowa to oś ciśnienia i jest oznaczona małą literą p. W układzie współrzędnych przedstawione są cztery punkty umieszczone w rogach niebieskiego kwadratu, które ponumerowano od 1 do 4. Punkt 1 leży w lewym dolnym rogu kwadratu, punkt 2 w lewym górnym, punkt 3 w prawym górnym, a punkt 4 w prawym dolnym. Punkty są połączone strzałkami: 1 w kierunku 2, 2 w kierunku 3, 3 w kierunku 4 i 4 w kierunku 1.

Pierwsza przemiana to izochoryczneprzemiana izochorycznaizochoryczne ogrzewanie gazu 1–2. Ciepło jest pobierane przez gaz, w wyniku czego temperatura i ciśnienie zwiększają się. Następna – izobaryczneprzemiana izobarycznaizobaryczne ogrzewanie 2‑3. Gaz pobiera ciepło. Temperatura nadal rośnie, a wraz z nią objętość. Kolejna przemiana to oziębianie izochoryczneprzemiana izochorycznaizochoryczne 3‑4. Teraz ciepło jest przez gaz oddawane. Temperatura i ciśnienie maleją. Cykl zamyka przemiana izobarycznaprzemiana izobarycznaizobaryczna 4‑1, w której ciepło jest nadal oddawane. Temperatura i objętość zmniejszają się, aż osiągną stan początkowy. Praca wykonywana jest tylko w przemianach izobarycznychprzemiana izobarycznaizobarycznych. W przemianach izochorycznychprzemiana izochorycznaizochorycznych, w których nie zmienia się objętość, praca równa jest zeru. Gaz wykonuje pracę podczas izobarycznegoprzemiana izobarycznaizobarycznego rozprężania 2‑3. Wartość tej pracy równa jest polu powierzchni pod wykresem 2‑3. Natomiast siła zewnętrzna wykonuje pracę podczas sprężania gazu 4‑1. Wartość pracy wykonanej przez siłę zewnętrzną równa jest polu powierzchni pod wykresem 4‑1. Widzimy, że w tym cyklu większą pracę wykonał gaz niż siła zewnętrzna, więc pracę zyskaliśmy. Ten zysk pracy równy jest polu wewnątrz wykresu w układzie p – V. Cykl przemian, który w układzie p‑V przebiega zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, jest cyklem silnia cieplnego.
A jaki będzie skutek przeprowadzenia cyklu w odwrotnym kierunku (Rys. 6.) ?

RRlC09vSQsM1V

Rys. 6. Na rysunku przedstawiono układ współrzędnych. Pozioma oś układu związana jest z objętością – oznaczenie osi to wielka litera V. Oś pionowa to oś ciśnienia i jest oznaczona małą literą p. W układzie współrzędnych przedstawione są cztery punkty znajdujące się w rogach niebieskiego kwadratu, które ponumerowano od 1 do 4. Punkt 1 leży w lewym dolnym rogu kwadratu, punkt 2 w lewym górnym, punkt 3 w prawym górnym, a punkt 4 w prawym dolnym. Punkty są połączone strzałkami: 1 w kierunku 4, 4 w kierunku 3, 3 w kierunku 2 i 2 w kierunku 1.

Teraz siła zewnętrzna wykonuje większą pracę podczas sprężania w przemianie 3‑2, a gaz mniejszą podczas rozprężania w przemianie 1‑4. Przeprowadzenie tego cyklu wymaga dostarczenia energii. Zauważmy, że w tym cyklu ciepło jest pobierane przy niższych temperaturach i oddawane przy wyższych. W takim cyklu pracuje pompa ciepła.
Każdy cykl przebiegający w układzie p - V zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, jest cyklem silnika cieplnego, a cykl przebiegający w tym układzie odwrotnie do kierunku ruchu wskazówek zegara, jest cyklem pompy ciepła.
Pamiętajmy jednak, że ta prawidłowość odnosi się tylko do układu współrzędnych p - V.

Słowniczek