Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

КПД оказался на редкость удачным понятием. Его удалось с успехом применить позднее для оценки и сравнения электрических машин: электромоторов, электрогенераторов, трансформаторов. И здесь в идеальном случае он был равен единице. А в реальном — немного поменьше из-за нагревания обмоток, сердечников, подшипников.

КПД пригодился и для оценки насосов, гидравлических турбин, конденсаторов, расширителей — детандеров. И здесь зависимость оставалась прежней — в идеальном случае КПД был равен единице. Все это как будто убеждало: КПД — универсальное понятие. Если он равен единице, преобразователь — идеальный и работает без потерь.

С помощью тепловых машин Силач и Огнепоклонник смогли с успехом выполнять обязанности друг друга.

А — Огнепоклонник с помощью огня и тепловой машины получает механическую работу. Для этого газ с температурой, близкой к атмосферной, адиабатически сжимается 1–2, и его давление и температура возрастают. Затем газ изохорно нагревается 2–3, и его температура и давление возрастают еще больше. После этого газ адиабатически расширяется 3–4, совершая механическую работу. Часть ее идет на сжатие холодного газа, а оставшийся избыток и составляет полезную работу двигателя. Расширившийся, но еще нагретый газ изохорно охлаждается 4–1 для последующего сжатия. В тепловом двигателе главный интерес для нас представляет полезная работа, изображающаяся площадью 1-2-3-4. Эффективность же двигателя оценивается с помощью КПД= пл. 1-2-3-4/пл. 6-2-3-5. Очевидно, что эта величина никогда не может быть больше 1.

Б — Силач с помощью механической работы и тепловой машины может повышать и понижать температуру. Для этого газ при температуре, близкой к атмосферной, адиабатически сжимается 1–2, и его температура и давление возрастают. Затем от этого газа изохорно отводят теплоту 2–3, так что его температура и давление уменьшаются. После этого охлажденный газ адиабатически расширяют до температуры ниже атмосферной 3–4, и совершаемая им при этом механическая работа частично компенсирует затрату работы на сжатие от внешнего источника. Далее, к охлажденному ниже атмосферной температуры газу подводится теплота 4–1.

Такая тепловая машина в отличие от теплового двигателя не производит механическую работу, а потребляет ее. Взамен же она дает возможность повышать или понижать температуру тех или иных тел. Если нам нужен холод, то машину называют холодильной. В ней нас интересует прежде всего холодопроизводительность, изображаемая на диаграмме площадью 6-1-4-5. Совершенство холодильной машины оценивается так называемым холодильным коэффициентом, который равен пл.6-1-4-5/пл.1-2-3-4. В зависимости от условий холодильный коэффициент может меняться от нуля до бесконечности.

Если же нам нужно нагревание, то та же самая машина именуется тепловым насосом, полезный эффект которого оценивается площадью 6-2-3-5. Совершенство теплового насоса оценивается коэффициентом производительности, равным пл.6-2-3-5/пл.1-2-3-4. В зависимости от условий этот коэффициент может меняться от 1 до бесконечности.

Все было хорошо до тех пор, пока в игру не включились тепловые машины. С их появлением вся общность понятия КПД пошла насмарку. Мы уже знаем, с каким трудом удалось увязать опыты Румфорда и Джоуля с идеальным двигателем Карно. Но эту увязку едва ли можно считать удачной. Посмотрите, как в самом сжатом виде описывается теперь положение дел.

Для всех идеальных двигателей, кроме тепловых, КПД равен единице. А вот для тепловых двигателей, даже для идеальных, он всегда меньше единицы и зависит от температуры источника теплоты и окружающей среды. В применении к оценке работы холодильных машин и тепловых насосов КПД вообще утрачивает всякий смысл. В общем случае, чтобы вычислить КПД, надо работу на выходе из машины разделить на работу на входе. На выходе идеальной холодильной машины — холодопроизводительность — теплота, отводимая из холодильной камеры. На входе — механическая работа, затрачиваемая на привод компрессора. Величина, получаемая при делении холодопроизводительности на механическую работу, в зависимости от температуры в холодильной камере и температуры окружающей среды может изменяться от нуля до бесконечности. Назвать ее КПД ни у кого не повернулся язык, поэтому ей дали название холодильный коэффициент и с общего молчаливого согласия приняли: для холодильных машин понятие КПД неприменимо. Тепловой насос вообще не оставил от КПД камня на камне. Если холодильный коэффициент может быть равным и нулю, и единице, то отношение теплоты на выходе к работе на входе для тепловых насосов всегда больше единицы и тоже может достигать бесконечно больших значений в зависимости от температур в нагреваемом помещении и на улице. Такое отношение уж и вовсе неудобно было бы называть КПД, поэтому в теории тепловых насосов вместо КПД пользуются термином коэффициент преобразования.

Но и это не все. Попробуйте вычислить КПД электрической спирали, погруженной в бак с водой. Вы убедитесь, что он равен единице. Спираль, сунутая в воду, оказывается более экономичным устройством, чем тщательно вылизанная и выверенная газовая турбина!

В чем же дело? Почему КПД — понятие, удобное для оценки различных процессов и механизмов, утрачивает смысл, как только речь заходит о тепловом движении?

Это произошло потому, что необходимость в понятии КПД возникла прежде всего у техников. Их мало интересовали логические тонкости. Что бы там ни происходило внутри машины, для практика важно знать одно: на выходном валу реальной зубчатой передачи мощность всегда меньше, чем на входном. Это справедливо для винтовой передачи, электромотора, трансформатора и т. д. КПД, вычисленный как отношение энергии на выходе и на входе, показывал, какая часть энергии теряется.

Но почему же, когда попытались применить КПД к тепловым процессам и машинам, все получалось так неудачно? Оказывается, не учитывая теплоты при вычислении КПД реальных механизмов, практики интуитивно, не отдавая в этом отчета, сопоставляли эти механизмы с идеальными, работающими без потерь. По их мнению, утверждение: КПД зубчатой передачи 95 %, должно обозначать: мощность на выходном валу зубчатой передачи на 5 % меньше, чем на входном. На самом же деле такое утверждение означает: идеальная, работающая без потерь зубчатая передача для выполнения той же работы и в таких же условиях потребует на 5 % меньше мощности.

Казалось бы, между двумя толкованиями нет принципиальной разницы. Но это не так, ибо первое, будучи применимо к идеальным тепловым машинам, разом уничтожает всю притягательность, и общность понятия КПД заставляет вводить холодильный коэффициент и коэффициент преобразования, могущие достигать бесконечных значений, и т. д.