КПД теплового двигателя
Тепловым называется двигатель, выполняющий работу за счет источника тепловой энергии.
Тепловая энергия (Qнагревателя) от источника передается двигателю, при этом часть полученной энергии двигатель тратит на выполнение работы W, неизрасходованная энергия (Qхолодильника) отправляется в холодильник, роль которого может выполнять, например окружающий воздух. Тепловой двигатель может работать только в том случае, если температура холодильника меньше температуры нагревателя.
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя можно рассчитать по формуле: КПД = W/Qнг.
КПД=1 (100%) в том случае, если вся тепловая энергия превращается в работу. КПД=0 (0%) в том случае, если никакая тепловая энергия не превращается в работу.
КПД реального теплового двигателя лежит в промежутке от 0 до 1, чем выше КПД, тем эффективнее двигатель.
Согласно закону сохранения энергии (первое начало термодинамики), тепловая энергия, попадающая в двигатель, равняется сумме работы, которую выполняет двигатель, и тепловой энергии, отданной в холодильник:
Qнг = W+Qх W = Qнг-Qх КПД = W/Qнг = (Qнг-Qх)/Qнг = 1-(Qх/Qнг)
Допустим, двигатель, имеющий КПД=0,8, выполняет работу в 100 Дж. Сколько тепловой энергии он использует, и сколько отводит в холодильник?
Решить поставленную задачу не составляет труда.
КПД = W/Qнг 0,8 = 100/Qнг Qнг = 100/0,8 = 125 Дж W = Qнг-Qх 100 = 125-Qх Qх = 125-100 = 25 Дж
Принцип Карно
Любой инженер, занимающийся разработкой теплового двигателя, стремится разработать двигатель с максимально возможным КПД. Идеальный вариант, когда КПД=1, в таком случае вся, полученная двигателем, тепловая энергия использовалась бы на работу, при этом в холодильник не поступало бы ничего. Однако, в реальной жизни осуществить подобное невозможно, поскольку в реальном двигателе некоторая часть энергии расходуется на неизбежные потери в трущихся механизмах.
Если бы инженерам удалось изобрести двигатель, в котором не было бы потерь, то система бы всегда возвращалась в начальное состояние - такой процесс называется обратимым. Все реальные двигатели тратят часть тепловой энергии на преодоление трения, поэтому процессы называются необратимыми.
Одним из первых, кто в 19 веке занялся изучением данной проблемы, был Санди Карно, сформулировавший следующий принцип (принцип Карно): ни один необратимый двигатель не может обладать абсолютным КПД, как обратимый, при этом, все обратимые двигатели, которые работают в промежутке между одинаковыми максимальными и одинаковыми минимальными температурами, имеют один и тот же КПД.
Если на практике изобрести обратимый двигатель невозможно, то никто не мешает изобрасти его "на бумаге". Так и поступил Карно, сформулировавший свои принципы для идеального двигателя (двигателя Карно). Двигатель Карно получает тепловую энергию от нагревателя, который имеет постоянную температуру Tнагревателя. Отработанная тепловая энергия уходит в холодильник с постоянной температурой Тхолодильника.
Поскольку температуры нагревателя и холодильника постоянны, отношение подаваемой и отводимой тепловой энергии будет равно отношению их температур (в Кельвинах):
Qх/Qнг = Tх/Tнг КПД = 1-(Qх/Qнг) КПД = 1-(Tх/Tнг)
Учитывая третье начало термодинамики, которое гласит, что температуру абсолютного нуля (Т=0К) достичь невозможно, можно сказать, что невозможно разработать тепловой двигатель с КПД=1, поскольку всегда Tх>0.
КПД теплового двигателя будет тем больше, чем выше температура нагревателя, и ниже температура холодильника.
