Принцип действия тепловой машины

Устройства в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую называют тепловыми двигателями

Для совершения работы за счет внутренней энергии газа можно воспользоваться цилиндром в котором расширяется газ (его в этом случае называют рабочим телом) и перемещает поршень Расширение газа происходит потому что его давление больше внешнего Ясно что через конечный промежуток времени давление газа и внешнее давление сравняются и газ не будет способен совершать работу Следовательно работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия

Во время расширения ( участок AB) газ получает некоторое количество теплоты Q1 от нагревателя а во время сжатия ( участок CD) - отдает количество теплоты Q2 холодильнику Соответственно полезная работа совершаемая газом равна A = Q1 -Q2

Так как данный цикл состоит из двух изохор и двух изотерм то температура газа при его расширении должна быть больше его температуры при сжатии

Таким образом принципиально необходимым условием циклической работы любого теплового двигателя является наличие нагревателя рабочего тела и холодильника

Работа теплового двигателя характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД)

обозначение 

формула  =

В данном случае под затраченной работой можно понимать количество теплоты которую нагреватель передает газу (Q1) Тогда КПД теплового двигателя можно найти по следующей формуле

 = = (147)

Как было выяснено ранее перед сжатием газ должен быть охлажден С другой стороны для получения максимальной работы за счет внутренней энергии газа недопустимо его соприкосновение с телом температура которого отличается от температуры самого газа (именно это происходит на участках BC и DA) без совершения работы газом Именно из этих соображений перечисленные участки необходимо должны представлять собой адиабаты Как показывает опыт цикл состоящий из двух изотерм и двух адиабат является наиболее эффективным у такого цикла

( цикл Карно) максимальный КПД

КПД цикла Карно может быть найден по формуле

 = (148)

где T1 - температура нагревателя; T2 - температура холодильника

На участке АВ газ получает некоторое количество теплоты Q1 от нагревателя с температурой Т1 При этом его объем увеличивается до V1 После этого поршень движется по инерции и газ увеличивает свой объем до V2 при этом дно цилиндра изолируют от нагревателя ( адиабатный процесс) при этом его температура уменьшается до температуры холодильника Т2  На участке CD газ изотермически сжимается до объема V2 отдавая холодильнику количество теплоты Q2 Затем газ сжимается адиабатно до объема V2 при этом его температура повышается до Т1

Замечание Если газ не охлаждать перед сжатием и следовательно некоторое количество теплоты не будет отдаваться более холодному телу то полезная работа за цикл будет равна нулю В этом состоит принципиальная особенность совершения механической работы тепловыми двигателями невозможно все количество теплоты полученной от нагревателя преобразовать в работу при циклическом процессе

Значит количество теплоты полученное от нагревателя не может быть целиком преобразовано в механическую работу циклически действующей тепловой машиной Это утверждение представляет собой важный закон природы получивший название второго закона термодинамики в циклически действующей тепловой машине невозможен процесс единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты полученного от источника энергии - нагревателя

замечание Второй закон термодинамики применим лишь к системам состоящим из большого числа частиц (носит вероятностный характер)

В реальных двигателях не удается осуществить цикл состоящий из идеальных изотермических и адиабатических процессов Кроме того в реальных двигателях всегда существуют потери энергии на трение Поэтому КПД цикла реального двигателя всегда меньше чем КПД цикла Карно при одних и тех же температурах холодильников и нагревателей