Urządzeniem, które w pewnym sensie działa w sposób odwrotny do silnika cieplnego jest pompa ciepła. Jest to urządzenie, które przenosi ciepło ze zbiornika o temperaturze niższej do zbiornika o temperaturze wyższej. Do przeniesienia ciepła potrzebne jest dostarczenie energii do czynnika roboczego pompy ciepła, gdyż samorzutnie ciepło przepływa w drugą stronę – z ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej.

Przepływ energii podczas pracy pompy ciepła został schematycznie przedstawiony na Rys. 1.

Rys. 1.

Z powyższego schematu widzimy, że w trakcie działania pompy ciepła wykonywana jest pewna praca nad jej czynnikiem roboczym (gaz, który najczęściej może zmieniać również stan skupienia na ciekły) , a jednocześnie czynnik ten pobiera pewną ilość ciepła  ze zbiornika o niższej temperaturze. Dostarczoną do niego energię czynnik roboczy zamienia na wykonanie pracy , a także przekazuje ją w formie ciepła  do zbiornika ciepła o wyższej temperaturze. Co więcej, praca wykonana nad czynnikiem roboczym w jednym cyklu jest większa niż praca wykonana przez ten czynnik roboczy w jednym cyklu, czyli , a ciepło oddane przez czynnik do zbiornika o niższej temperaturze jest w jednym cyklu większe niż ciepło pobrane przez czynnik ze zbiornika o niższej temperaturze, czyli .

Z punktu widzenia użytkownika najkorzystniejsza jest taka sytuacja, w której jak największa część energii dostarczonej do czynnika roboczego pompy ciepła jest oddawana do zbiornika ciepła o wyższej temperaturze.

Analizując schemat działania pompy ciepła, możemy zauważyć, że ponieważ obowiązuje zasada zachowania energii, czyli tyle energii ile wpłynęło do pompy, tyle musi z niej wypłynąć, to prawdziwa jest następująca zależność:

A zatem:

Różnicę  nazywamy czasem pracą całkowitą .

Przykładami urządzeń realizujących cykl pracy pompy ciepła są wszelkiego rodzaju urządzenia chłodnicze, jak lodówki czy klimatyzatory, ale również coraz popularniejsze w ostatnim czasie pompy ciepła służące do ogrzewania naszych domów.

Warto nadmienić, że jeśli cykl pracy pompy ciepła przedstawimy w układzie zależności parametrów , to przejście do każdego kolejnego stanu czynnika roboczego będzie odbywało się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Ponadto, w tej sytuacji pole figury ograniczonej przemianami cyklu będzie stanowić różnicę pracy wykonanej nad czynnikiem i pracy wykonanej przez czynnik roboczy w jednym cyklu, czyli pracę całkowitą .

Przykład:

Pewna pompa ciepła pracująca z efektywnością równą . Dostarcza ona do pewnego pomieszczenia 76 500 kJ ciepła w ciągu godziny. Oblicz pracę całkowitą  jaką należy wykonać nad czynnikiem roboczym pompy w ciągu godziny. Oblicz ciepło pobierane przez pompę  z zewnątrz (chłodniejszego zbiornika ciepła) w ciągu godziny.

Rozwiązanie:

Na podstawie podanego w treści równania oraz wiedzy, że  obliczamy pracę całkowitą:

Następnie znając schemat działania pompy obliczamy ciepło pobrane:

Zadania do zrobienia:

Na rysunku poniżej zawarto cykl przemian jakim poddano czynnik roboczy pewnej pompy ciepła. Oblicz ciepło oddane przez czynnik w jednym cyklu , pracę całkowitą  oraz efektywność takiej pompy ciepła: . Ciepło molowe gazu (czynnika roboczego) przy stałej objętości wynosi , gdzie  to uniwersalna stała gazowa.

Odp.: , ,

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkiem znajdziesz płatne (60 zł) dwugodzinne nagranie z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-termodynamika-2