РУҚА
Задания № 10, 24 · ЕГЭ

Холодильная машина и тепловой насос

Назначение, энергетический баланс и коэффициенты холодильника и теплового насоса
6 мин чтенияСложность: Обновлено 27 сентября 2026

Холодильная машина и тепловой насос — это устройства, которые с помощью внешней работы переносят теплоту от более холодного тела к более горячему. Они работают циклически, но имеют разное назначение: холодильник охлаждает внутреннюю камеру, а тепловой насос нагревает помещение или воду.

Назначение и принцип действия

Подробный ход процессов рассматривается в теме принцип действия холодильной машины. В общем случае рабочее тело за цикл получает теплоту \(Q_х\) от холодного источника, получает от внешнего двигателя работу \(A\) и отдаёт горячему источнику теплоту \(Q_г\). Самопроизвольная передача теплоты идёт от горячего тела к холодному, поэтому перенос теплоты в обратном направлении требует работы.

D
Холодильная машина

Холодильная машина — тепловая машина, предназначенная для охлаждения холодного источника. Она отбирает у него теплоту \(Q_х\) и передаёт горячему источнику большую теплоту \(Q_г\) за счёт внешней работы \(A\).

D
Тепловой насос

Тепловой насос — устройство, предназначенное для нагревания горячего источника за счёт отбора теплоты у холодного источника и подвода внешней работы. Такая установка подробно рассматривается на странице «Тепловой насос».

$Q_х$$Q_г$$A$машина
Энергетическая схема: машина получает \(Q_х\) и работу \(A\), а отдаёт горячему источнику теплоту \(Q_г\).

Для холодильника главным результатом является \(Q_х\): нужно сохранить продукты или охладить камеру. Для теплового насоса главным результатом является \(Q_г\): нужно обогреть помещение. Одна и та же установка может работать в обоих режимах; меняется только то, какое количество теплоты считают полезным.

Энергетический баланс и коэффициенты

T
Баланс энергии за цикл

Так как рабочее тело после цикла возвращается в исходное состояние, изменение его внутренней энергии равно нулю: \(\Delta U=0\). Поэтому теплота, отданная горячему источнику, равна сумме теплоты, полученной от холодного источника, и внешней работы.

\[Q_г=Q_х+A\]

Из баланса также следует \(A=Q_г-Q_х\). Здесь \(A\) — работа, совершённая над рабочим телом внешним двигателем. Если в вашей системе знаков работа газа рассматривается иначе, внимательно используйте соглашения из страницы «Знак работы в термодинамике». В задачах на холодильник обычно используют именно положительную затраченную работу.

\(Q_х\)
теплота, полученная от холодного источника
Дж
\(Q_г\)
теплота, отданная горячему источнику
Дж
\(A\)
затраченная внешняя работа
Дж
\(\varepsilon_х\)
холодильный коэффициент
1
\(\mu\)
коэффициент теплового насоса
1

Холодильный коэффициент

Холодильный коэффициент показывает, сколько теплоты отводится от холодного источника на единицу затраченной работы. Это не КПД в обычном смысле: коэффициент может быть больше единицы, потому что машина не превращает работу в теплоту, а переносит уже существующую теплоту.

\[\varepsilon_х=\frac{Q_х}{A}=\frac{Q_х}{Q_г-Q_х}\]

Коэффициент теплового насоса

Коэффициент теплового насоса показывает, сколько теплоты получает горячий источник на единицу затраченной работы. Так как \(Q_г=Q_х+A\), этот коэффициент всегда на единицу больше холодильного коэффициента той же установки.

\[\mu=\frac{Q_г}{A}=\frac{Q_г}{Q_г-Q_х}=\varepsilon_х+1\]
Запомнить

Для холодильника полезна теплота \(Q_х\), поэтому используют \(\varepsilon_х=Q_х/A\). Для теплового насоса полезна теплота \(Q_г\), поэтому используют \(\mu=Q_г/A\). Связь коэффициентов: \(\mu=\varepsilon_х+1\).

Проверь себя

За цикл холодильная машина получила от холодного источника \(300\) Дж теплоты и затратила \(100\) Дж работы. Какой коэффициент нужно вычислить, если оценивают её работу как теплового насоса?

Разобранный пример

Холодильная машина за цикл отводит от камеры \(Q_х=2{,}4\ \text{кДж}\) и передаёт окружающему воздуху \(Q_г=3{,}0\ \text{кДж}\). Найдём затраченную работу, холодильный коэффициент и коэффициент теплового насоса.

№
План решения

Сначала применяем энергетический баланс. Затем выбираем коэффициент по назначению устройства: для охлаждения — холодильный, для нагревания — коэффициент теплового насоса.

1
По балансу цикла работа равна разности теплоты, отданной горячему источнику, и теплоты, полученной от холодного источника.
\(\displaystyle A=Q_г-Q_х=3{,}0-2{,}4=0{,}6\ \text{кДж}\)
2
Для холодильника полезной считается теплота, отведённая от камеры.
\(\displaystyle \varepsilon_х=\frac{Q_х}{A}=\frac{2{,}4}{0{,}6}=4\)
3
Для теплового насоса полезной считается теплота, переданная горячему источнику.
\(\displaystyle \mu=\frac{Q_г}{A}=\frac{3{,}0}{0{,}6}=5\)

Ответ: затраченная работа равна \(0{,}6\ \text{кДж}\), холодильный коэффициент — \(4\), коэффициент теплового насоса — \(5\). Проверка: \(\mu=\varepsilon_х+1=4+1=5\).

Как решать задачи и не ошибаться

  1. Определите, что именно требуется: охлаждение холодного источника или нагревание горячего.
  2. Запишите величины \(Q_х\), \(Q_г\) и \(A\), приведя их к одинаковым единицам.
  3. Используйте баланс \(Q_г=Q_х+A\) или \(A=Q_г-Q_х\).
  4. Подставьте полезную теплоту в нужный коэффициент.
  5. Проверьте результат связью \(\mu=\varepsilon_х+1\).
!
Частые ошибки

1. Нельзя считать холодильный коэффициент как \(Q_г/A\): это коэффициент теплового насоса. 2. Нельзя писать \(A=Q_г+Q_х\): работа равна разности, потому что часть теплоты поступает от холодного источника. 3. Коэффициенты не являются процентами и не требуют умножения на \(100\%\). 4. Нельзя называть \(\varepsilon_х\) КПД: для холодильной машины коэффициент может быть больше единицы. 5. При чтении условия следите, за какой период указаны теплоты: для циклического процесса все величины должны относиться к одному циклу или одному и тому же времени.

Связь с общей темой второго закона термодинамики объясняет, почему без работы теплота не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему. В задачах, где процессы изображены графически, полезно повторить чтение графика теплового процесса. Не путайте эти коэффициенты с КПД обычного теплового двигателя, который изучается в теме КПД термодинамического цикла.

Q
Быстрый тест по теме

Быстрая проверка

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · назначение
Какую теплоту считает полезной холодильная машина?
Главное за минуту

Главное

  • Холодильник охлаждает холодный источник, а тепловой насос нагревает горячий.
  • За цикл выполняется баланс \(Q_г=Q_х+A\).
  • Холодильный коэффициент: \(\varepsilon_х=Q_х/A\).
  • Коэффициент теплового насоса: \(\mu=Q_г/A=\varepsilon_х+1\).
  • Эти коэффициенты характеризуют перенос теплоты и не являются обычным КПД; они могут быть больше единицы.