Тепловой двигатель. Коэффициент полезного действия теплового двигателя.

Согласно закону сохранения энергии, работа, совершаемая двигателем, равна:

,

где Q, — количество теплоты, полученное от нагревателя. Q₂ — количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение рабо­ты A', совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η < 1. КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T₁ – T₂ = 0 двигатель не может работать.

Цикл Карно.

Цикл Карно — это круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов.

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.

Выбор двух изотермических и двух адиабатических процессов был обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергия нагревателя, а при адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, следовательно, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процес­сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T₁, работа совершается за счет измене­ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве­дения к газу количества теплоты Q:

A₁₂ = Q₁,

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU₂₃ при адиабатном процессе (Q = 0) полностью преобразуется в механическую работу:

A₂₃ = -ΔU₂₃,

Температура газа в результате адиабатического рас­ширения (2-3) понижается до температуры холодильни­ка T₂ < T₁. В процессе (3-4) газ изотермически сжимает­ся, передавая холодильнику количество теплоты Q₂:

A₃₄ = Q₂,

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т₁.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

.

Суть формулы  выражена в доказанной С. Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.