Принцип действия и КПД тепловых двигателей
Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Согласно второму началу термодинамики тепловой двигатель может непрерывно совершать периодически повторяющуюся механическую работу за счёт охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдаёт теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идёт не всё количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть её.
Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:
1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;
2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;
3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:
, где 
— количество теплоты, полученное от нагревателя, 
— количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение работы 
, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то 
. КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При 
двигатель не может работать.
Цикл Карно — это круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов.
Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели 
) и поиски путей их усовершенствования.
Выбор двух изотермических и двух адиабатических процессов был обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счёт внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе — за счёт внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключён контакт тел с разной температурой, следовательно, исключена теплопередача без совершения работы.
Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.
На рис. 79 изображены термодинамические процессы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре 
работа совершается за счёт изменения внутренней энергии нагревателя, т. е. за счёт подведения к газу количества теплоты 
: 
Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии 
при адиабатном процессе 
полностью преобразуется в механическую работу:
Температура газа в результате адиабатического расширения (2-3) понижается до температуры холодильника 
. В процессе (3-4) газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты : 
Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры .
Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:
Суть формулы (2.26) 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.
Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:
Возможно эти страницы вам будут полезны:
| Уравнение теплового баланса в физике |
| Второй закон термодинамики в физике |
| Электрическое поле в физике |
| Закон сохранения электрического заряда в физике |
