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逆卡諾循環是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成（如圖３），假設低溫熱源（即被冷卻物體）的溫度為Ｔ２，高溫熱源（即環境介質）的溫度為Ｔ１，則工質的溫度在吸熱過程中為Ｔ２，在放熱過程中為Ｔ１，就是說在吸熱和放熱過程中工質與冷源及高溫熱源之間沒有溫差，即傳熱是在等溫下進行的，壓縮和膨脹過程是在沒有任何損失情況下進行的。其具體循環過程為：首先工質通過膨脹閥進行等溫膨脹過程Ｄ→Ｃ，即在Ｔ１下從空氣中吸取熱量Ｑ１；然后通過壓縮機絕熱壓縮經過過程Ｃ→Ｂ，使其溫度由Ｔ１升高至熱水的目標溫度Ｔ２；
再在Ｔ２下進行等溫壓縮Ｂ→Ａ，并向環境介質（即高溫熱源）放出熱量Ｑ２，最后再進行絕熱膨脹Ａ→Ｄ，使其溫度由Ｔ２降至Ｔ１，使工質回到初始狀態Ｄ，從而完成一次循環。
通過讓制冷劑如Ｒ２２（氫氯氟烴類）不斷完成蒸發（吸取環境中的熱量）—壓縮—冷凝（放出熱量）—節流—再蒸發的循環過程，將空氣的能量轉移到水中。熱泵熱水器載熱工質的循環是：在低壓液態下吸收環境空氣的熱能，在蒸發器內蒸發汽化，通過壓縮機的工作提高Ｒ２２的溫度，再通過冷凝器使Ｒ２２冷凝為液態，同時釋放其能量并傳給水箱中的水，達到制取熱水的目的。
熱泵在工作時，把環境介質中貯存的能量Ｑ１在蒸發器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機耗電Ｗ；通過工質循環系統在冷凝器中進行放熱Ｑ２，Ｑ２＝Ｑ１＋Ｗ，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機做的功Ｗ和熱泵從環境中吸收的熱量Ｑ１之和；因此，采用熱泵技術可以節約大量的電能。
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