Тепловой двигатель - это устройство, которое преобразует внутреннюю энергию топлива в механическую. Энергия, которая выделяется при сгорании топлива, через теплообмен передается газа.
Газ, расширяясь, выполняет работу против внешних сил и приводит в движение механизм.
Для того чтобы двигатель работал циклично, газ сжимается, отдавая теплоту холодильнике (окружающей среде). Рабочее тело двигателя получает количество теплоты ΔQн от отопителя, выполняет работу и над внешними телами и передает количество теплоты ΔQх холодильнике. Поскольку система после окончания цикла возвращается в исходное состояние, изменение внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0) и по первому закону термодинамики ΔА = ΔQн-ΔQх, где ΔА - механическая работа, которую выполняет газ ΔQн - количество теплоты, полученной от нагревателя, ΔQх - количество теплоты, передаваемой холодильнике.
Размер η:
η = (ΔQн-ΔQх) / ΔQн = ΔА / ΔQн
называется коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины.
Французский инженер С. Карно выяснил условия работы идеальной тепловой машины. Из всех тепловых машин, работающих с отопителем, имеющей температуру Тн, и холодильником, имеющей температуру Тх, наибольший коэффициент полезного действия имеет тепловая машина, работающая по циклу Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.
Круговой процесс идеальной тепловой машины
Вычислим работу газа за один цикл Карно:
ΔА = ΔА12 + ΔА23 + ΔА34 + ΔА41
ΔА12 = νRT1 ∙ ln (V2/V1) ΔА34 = νRT2 ∙ ln (V4/V3)
ΔА23 = νcν ∙ (T2 - T1) = - νcν ∙ (T1 - T2) = - ΔА41
Из уравнения адиабаты TVγ-1 = const записанной для процессов 2-3 и 4-1 получаем следующее соотношение для объемов:
V2/V1 = V3/V4
С учетом выше полученных формул работа при круговом процессе цикла Карно, выполняемой идеальный газ равна:
ΔА = νRT1 ∙ ln (V2/V1) + νRT2 ∙ ln (V4/V3) = νR (T1 - T2) ∙ ln (V2/V1)
Получим соотношения для КПД тепловой машины Карно.
Он равен отношению полезной работы ко всей затраченной энергии. В нашем случае это будет отношение работы, выполненной тепловой машиной за один цикл количеству теплоты, взятой машиной от нагревателя:
η = (ΔQ1-ΔQ2) / ΔQ1 = ΔА/ΔQ1
Количество теплоты, поступившей системе на участке цикла 1-2 равна работе газа при его изотермического расширения на этом участке:
ΔQ12 = ΔА12 = νRT1 ∙ ln (V2/V1)
Поэтому для КПД получаем:
η = ΔА/ΔQ1 = {νR (T1 - T2) ∙ ln (V2/V1)} / {νRT1 ∙ ln (V2/V1)} = (T1 - T2) / T1 = 1 - T2/T1
КПД тепловой машины Карно меньше единицы. Это означает, что даже при идеальных условиях, когда все этапы этого процесса обратимы, поэтому выполнена работа максимальная, все количество теплоты, взятой от отопителя, нельзя без потерь превратить в механическую работу.
КПД реальных тепловых машин значительно меньше КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно.