Тепловые двигатели и их КПД. Проблема вечного двигателя

Исторически второе начало термодинамики было сформулировано при анализе экспериментальных данных о работе тепловых двигателей. Тепловым двигателем называется периодически действующая машина, совершающая работу за счет подведенного извне тепла. Французский инженер Н. Карно доказал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с разными температурами. Рассмотрим схему работы теплового двигателя (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схема работы теплового двигателя

От термостата с более высокой температурой T₁ (нагревателя) за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой T₂ (холодильнику) за цикл передается количество теплоты Q₂. Рабочее тело при этом совершает работу А=Q₁ – Q₂.

Эффективность тепловых машин принято характеризовать коэффициентом полезного действияη (КПД):

η = А / Q₁ = (Q₁– Q₂) / Q₁. (2.4.7)

Можно показать, что КПД всех обратимых тепловых машин, работающих в идентичных условиях (т.е. при одинаковых температурах нагревателя и холодильника), одинаков и определяется только температурами холодильника и нагревателя (теорема Карно). КПД необратимой машины всегда меньше, чем обратимой, работающей в тех же условиях.

Анализируя работу тепловых двигателей, Карно сумел доказать, что наиболее экономичным обратимым циклом является цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Этот цикл в настоящее время носит имя Карно. Можно показать, что КПД этого цикла определяется температурами нагревателя T₁ и холодильника T₂:

. (2.4.8)

Для повышения КПД необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника.

Обратный цикл Карно лежит в основе действия тепловых насосов.Тепловые насосы отдают тепловую энергию горячему телу (например, системе отопления). Часть этой энергии отбирается от окружающей среды с более низкой температурой, а часть получается за счет работы, производимой, например, компрессором.