Нагрев воды тепловым насосом

Предположим, мы хотим нагреть 1 литр воды с температурой 0°C до 50°C в зимнее время с помощью идеального теплового насоса (цикл Карно в «обратном порядке»). Это количество воды мы поместим в изначально пустую емкость, в которой будет происходить нагрев, и с помощью теплового насоса извлечем тепло из близлежащего большого озера, где температура воды около 0°C. Сколько труда это потребует?

Обратите внимание, что первоначально пустой контейнер и большое озеро представляют собой горячий резервуар и холодный резервуар соответственно в цикле Карно.

Для цикла Карно имеем Вт "=" Вопрос час Вопрос с и Вопрос час Т час "=" Вопрос с Т с где индексы час и с обозначают соответственно горячий резервуар и холодный резервуар. Более того Вт , Вопрос час , Вопрос с , Т час , Т с все неотрицательные величины (выбранное нами соглашение о знаках).


Я знаю, что работа может быть выражена как Вт "=" Вопрос час Т час ( Т час Т с ) "=" Вопрос с Т с ( Т час Т с ) но я понятия не имею, что использовать, так как я действительно понятия не имею, сколько тепла Вопрос час и Вопрос с есть или должно быть.

Кроме того, я никогда раньше не сталкивался с проблемой такого рода, когда один из резервуаров не имеет постоянной температуры, и я полностью сбит с толку. Я подозреваю, что это потребует исчисления, но я ошеломлен тем, как его настроить.

Поскольку мы хотим нагреть воду от 0°C до 50, не следует Вопрос час равный м с Δ Т что составляет 210 000  Дж с м "=" 1  кг , с "=" 4200  Дж/(кг К) и Δ Т "=" 50  К ? вопрос что подключать Т час так как она меняется со временем.

Ответ должен быть Вт "=" 17.1  кДж . Любая помощь приветствуется!

"Вопрос в том, что подключать для Th, так как это меняется со временем." Вам придется разобрать проблему, рассматривая не только одно большое движение тепла Qh, но и суммируя эффекты небольших движений dQh тепловой энергии. Другими словами, используйте интеграцию. Если каждое малое движение теплоты dQh достаточно мало, можно считать температуру Th постоянной во время движения каждого небольшого количества теплоты dQh.
Хороший ответ, но я не понимаю, как разумно «можно считать температуру Th постоянной во время движения каждого небольшого количества тепла dQh» . Даже если dQh передается, температура Th должна увеличиться на dTh, не так ли?
При интегрировании вы учитываете предел, когда каждый элемент dQh бесконечно мал. В этом пределе dTh также будет бесконечно малым, и поэтому температуру Th можно считать постоянной в течение периода, в течение которого перемещается нагревательный элемент dQh.

Ответы (1)

Идеальный тепловой насос состоит из четырех стадий: адиабатического расширения ( 1 ) от В 1 в Т ЧАС к В 2 в Т С , изотермическое расширение ( 2 ) в Т С от В 2 к В 4 , адиабатическое сжатие ( 3 ) от В 4 в Т С к В 3 в Т ЧАС , изотермическое сжатие ( 4 ) в Т ЧАС от В 3 к В 1 , где В 1 < В 2 < В 3 < В 4 .

Поскольку тепловой насос контактирует только с горячим резервуаром во время стадии ( 4 ) , это единственный этап, на котором тепловой насос фактически передает тепло воде. Но если мы хотим передать тепло воде, то температура воды должна повышаться во время этого процесса, а это уже не изотермический процесс! Этот вопрос не касается идеального теплового насоса, и вы не можете применить ни одно из этих уравнений.

Что вы можете попробовать, это заменить ( 4 ) с процессом, похожим на изотермический, когда вы приводите тепловой насос в контакт с горячим резервуаром, а затем сжимаете его из В 3 к В 1 таким образом, чтобы тепловой насос и горячий резервуар всегда находились в тепловом равновесии. Этот процесс не является изотермическим, так как температура горячего резервуара будет изменяться от Т ЧАС к более высокой температуре Т Икс в конце, поэтому трудно найти работу, совершенную над газом, так как все Т , В , п , и U меняются. Не стесняйтесь редактировать этот ответ, если кто-нибудь может найти уравнение для работы, проделанной с газом во время процесса. ( 5 ) от В 3 в Т ЧАС к В 1 в Т Икс , учитывая, что температура газа и температура горячего резервуара всегда остаются одинаковыми и что все тепло, выделяемое газом, переходит в горячий резервуар.

Откуда вы взяли эту проблему? Можете ли вы попросить того, кто дал вам это, предоставить решение?