Најважније из лекције
Машина за хлађење: Преноси топлоту са тела ниже на тело више температуре уз вршење спољашњег рада: \(|Q_g| = |Q_h| + |A|\).
Смер циклуса: Супротан од топлотног мотора (рад над гасом је негативан).
Типови уређаја:
Смер циклуса: Супротан од топлотног мотора (рад над гасом је негативан).
Типови уређаја:
- Фрижидер / Клима: Циљ је хлађење хладњака (одузимање топлоте \(Q_h\)).
- Топлотна пумпа: Циљ је загревање грејача топлотом \(Q_g = Q_h + A\), користећи бесплатну енергију из околине (\(Q_h\)).
Машине за хлађење су уређаји који вршећи рад остварују пренос топлоте са тела ниже температуре на тело више температуре.
Према Другом принципу термодинамике, пренос топлоте са хладнијег на топлије тело је немогућ спонтано - за овај процес је неопходно уложити рад спољашњих сила.
Машина за хлађење ради по кружном процесу (циклусу) чији је смер супротан смеру циклуса топлотног мотора. Због тога је укупан рад гаса у циклусу негативан, односно спољашња сила врши рад над гасом.
Зашто фрижидер не може да хлади просторију ако му оставимо отворена врата?
Фрижидер одузима топлоту из унутрашњости, али на задњој страни у просторију предаје већу количину топлоте (топлота из унутрашњости увећана за рад компресора: \(|Q_g| = |Q_h| + |A|\)). Отворени фрижидер би дугорочно загревао просторију због утрошеног рада мотора.
Према Првом принципу термодинамике, укупна топлота предата грејачу једнака је збиру топлоте одузете од хладњака и утрошеног рада спољашњих сила над радним телом.
\[ |Q_g| = |Q_h| + |A| \]
\(Q_g\) - топлота предата грејачу (телу више температуре)
\(Q_h\) - топлота одузета од хладњака (тела ниже температуре)
\(A\) - рад извршен над радним телом (гас)
\(Q_h\) - топлота одузета од хладњака (тела ниже температуре)
\(A\) - рад извршен над радним телом (гас)
Ако фрижидер из унутрашњости одузме \(Q_h = 5\text{ kW}\) топлоте, а за рад компресора се уложи \(A = 1\text{ kW}\) електричне снаге, просторији се предаје топлота од:
\[ Q_g = 5\text{ kW} + 1\text{ kW} = 6\text{ kW} \]
Током једног циклуса машина за хлађење преда грејачу \(1200\text{ J}\) топлоте, при чему компресор изврши рад од \(400\text{ J}\). Колику топлоту је машина одузела од хладњака?
Из једначине \(|Q_g| = |Q_h| + |A|\) следи:
\[ |Q_h| = |Q_g| - |A| = 1200\text{ J} - 400\text{ J} = 800\text{ J} \]
У зависности од намене уређаја, хладњак и грејач представљају различите делове система:
| Уређај | Хладњак (одакле се топлота узима) | Грејач (где се топлота предаје) | Улога рада (\(A\)) |
|---|---|---|---|
| Фрижидер | Унутрашњост фрижидера | Околина (просторија) | Електромотор сабија гас и омогућава пренос топлоте ван фрижидера. |
| Клима-уређај | Унутрашњост просторије | Спољашње окружење (атмосфера) | Компресор сабија гас како би се топлота избацила напоље. |
| Топлотна пумпа | Спољашња средина (земљиште, вода, ваздух) | Унутрашњост просторије (грејани простор) | Омогућава да се топлота из хладне спољашње средине пребаци у просторију. |
Код топлотне пумпе, просторија добија топлоту \(Q_g = Q_h + A\). Пошто се топлота \(Q_h\) бесплатно узима из животне средине, добијена топлота за грејање знатно је већа од уложеног рада (потрошене електричне енергије).
Што је температурна разлика између грејача и хладњака већа, потребно је уложити већи рад (потрошити више енергије) да би се остварио жељени пренос топлоте.
Фрижидери и клима-уређаји троше знатно више електричне енергије лети када је спољашња температура висока. Топлотне пумпе су знатно ефикасније ако као извор топлоте користе подземну воду (чија је температура зими стабилна и виша од температуре ваздуха, нпр. \(+7^\circ\text{C}\) у односу на \(-8^\circ\text{C}\)).
Задаци за вежбање
Лаки задатак: Клима-уређај одузима из собе топлоту од \(3{,}5\text{ kW}\) и притом троши електричну снагу од \(1\text{ kW}\). Колику топлоту клима-уређај предаје спољашњој атмосфери у једној секунди?
Према енергетском билансу расхладне машине:
\[ |Q_g| = |Q_h| + |A| \]
\[ Q_g = 3{,}5\text{ kW} + 1\text{ kW} = 4{,}5\text{ kW} = 4{,}5\text{ kJ/s} \]
Одговор: Уређај у једној секунди предаје атмосфери \(4{,}5\text{ kJ}\) топлоте.
Средњи задатак: Топлотна пумпа служи за загревање куће којој је потребан топлотни проток од \(8\text{ kW}\). Ако пумпа узима топлоту из речне воде са протоком топлоте од \(6\text{ kW}\):
а) Колику електричну снагу мора да троши мотор топлотне пумпе?
б) Шта у овом систему представља грејач, а шта хладњак?
а) Колику електричну снагу мора да троши мотор топлотне пумпе?
б) Шта у овом систему представља грејач, а шта хладњак?
а) Грејач добија \(Q_g = 8\text{ kW}\), а од хладњака се узима \(Q_h = 6\text{ kW}\).
\[ |A| = |Q_g| - |Q_h| = 8\text{ kW} - 6\text{ kW} = 2\text{ kW} \]
Потребна снага мотора је \(2\text{ kW}\).
б) Хладњак је речна вода (нижа температура), а грејач је унутрашњост куће која се загрева (виша температура).
б) Хладњак је речна вода (нижа температура), а грејач је унутрашњост куће која се загрева (виша температура).
Тешки задатак: Зими при спољашњој температури од \(-10^\circ\text{C}\), топлотна пумпа троши више електричне енергије за загревање куће на \(20^\circ\text{C}\) него када је спољашња температура \(+5^\circ\text{C}\). Објасните физички разлог за ову појаву.
Када је спољашња температура \(-10^\circ\text{C}\), температурна разлика између грејача (\(20^\circ\text{C}\)) и хладњака (\(-10^\circ\text{C}\)) износи \(\Delta T = 30^\circ\text{C}\). При спољашњој температури од \(+5^\circ\text{C}\), та разлика је само \(\Delta T = 15^\circ\text{C}\).
Са повећањем температурне разлике између топлотног извора и потрошача, термодинамички услови постају неповољнији и мора се извршити већи рад над радним телом да би се иста количина топлоте пренела са хладнијег на топлије тело, што доводи до веће потрошње електричне енергије.
Са повећањем температурне разлике између топлотног извора и потрошача, термодинамички услови постају неповољнији и мора се извршити већи рад над радним телом да би се иста количина топлоте пренела са хладнијег на топлије тело, што доводи до веће потрошње електричне енергије.
