Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Охлаждение нагреванием

В природе термическая энергия самопроизвольно всегда переходит от более нагретых тел к менее нагретым. На практике же иногда необходимо провести обратный процесс, то есть перенести тепло от менее нагретых тел к более нагретым. Такой процесс, например, осуществляется в холодильнике. Там термическая энергия отбирается у охлаждаемых тел и отводится в окружающее пространство, температура которого обычно 20-25 С. Однако такой процесс требует затраты работы. По принципу работы холодильник - это тепловой двигатель, работающий в обратном направлении.

Холодильник — обращенный тепловой двигатель

Кратко рассмотрим работу холодильника. В холодильнике трубы, проведенные в объеме, подлежащем охлаждению, наполняются жидкостью, имеющей низкую температуру кипения и высокую теплоту испарения (например аммиак, фреон C2F2CI2 и др.) Энергию, необходимую для испарения, жидкость берет из термической энергии охлаждаемого объема, температура которого вследствие этого понижается. После установления заданной низкой температуры последняя поддерживается благодаря испарению охлаждающей жидкости.

Внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия соответствующей жидкости. В холодильнике процесс охлаждения осуществляется за счет того, что рабочее вещество превращает термическую энергию, отобранную из охлаждаемого объема, в энергию своего пара. Затем пар отводится из охлаждаемого объема, сильно сжимается в конденсаторе при помощи компрессоров, превращаясь, таким образом, снова в жидкость, которая возвращается в охлаждаемый объем. Так заканчивается один цикл процесса. С новым испарением начинается новый цикл и т. д.

Тепло, освобождающееся при сжижении пара в конденсаторе холодильника, отдается в окружающее пространство. Количество этого тепла тем больше, чем отобранное у охлаждаемой камеры, так как в тепло переходит и работа, необходимая для переноса его к телам окружающего пространства, имеющим более высокую температуру; отдается здесь и то дополнительное тепло, которое возникло в холодильнике из-за неизбежной необратимости процессов. Следовательно, нужно читывать, что холодильник в то же время нагревает окружающую среду.

Не в каждом холодильнике имеется компрессор. Есть и такие, в которых энергия, необходимая для переноса в окружающее пространство тепла, отобранного от холодильной камеры, поставляется не посредством механической работы, а через тепло. Рабочее вещество холодильной машины (например аммиак) не сжижается здесь под давлением, а растворяется в воде и выпаривается кипячением. При кипении тепло отбирается из окружающей среды (охлаждаемого объема) - это стадия охлаждения. Напротив, при растворении аммиака в воде освобождается тепло - на этой стадии рабочая жидкость нагревает окружающую среду. Это так называемые абсорбционные холодильные машины.

Как можно согласовать тот факт, что тепло переходит от холодильюй камеры с низкой температурой в окружающее пространство, имею-цее более высокую температуру, с всеобщим законом, в соответствии с которым тепло само по себе переходит только от более нагретых тел к менее нагретым?

Прежде чем ответить на этот вопрос, попробуем для сравнения разобрать пример из области механики. Известно, что под действием силы тяжести все тела падают вниз, однако с помощью силы тяжести тела можно поднимать вверх. Если к одному концу троса, перекинутого через блок, привязать тело, которое мы хотим поднять, а к другому - тело большей массы как противовес, то первое поднимается вверх, а противовес опустится вниз. Это стало возможным в результате того, что одновременно тело большой массы опустилось вниз, затратив больше работы, чем необходимо для поднятия груза. Если рассматривать оба тела как единую материальную систему, то ее потенциальная энергия уменьшилась, так как центр тяжести системы двух тел теперь лежит ниже, чем прежде. Таким образом, система как целое под действием силы тяжести опустилась, но одна часть ее все же поднялась. Работу, необходимую для ее поднятия, совершила вторая, опустившаяся часть. Такие явления, когда в сложных процессах на каких-то этапах совершаются изменения, идущие в направлениях, казалось бы противоположных общим законам природы, встречаются не только в холодильных машинах или в механических процессах, но и в других случаях. Например, в живых организмах происходит построение энергетически богатых соединений из менее богатых. Синтез энергетически более богатых веществ происходит также и вне живого организма. Возникновение энергетически богатых соединений осуществляется за счет уменьшения энергии других соединений, необходимая же для синтеза дополнительная химическая энергия может черпаться и из другого энергетического источника. Видно, что несмотря на однозначность основных законов природы, явления, а также искусственно осуществляемые человеком процессы, отличаются большим многообразием. Для понимания этих явлений, кроме знаний общих законов природы, необходимо подробно изучить механизмы различных энергетических превращений, причем одного только термодинамического подхода явно недостаточно - требуется проникновения в микромир этих явлений. Ведь термодинамика имеет дело только с макроскопически измеряемым энергетическим балансом результирующего процесса, состоящего из многих отдельных промежуточных процессов.