Рабочий цикл тепловой машины и ее кпд.

В результате совершения рабочего цикла газ возвращается в начальное состояние, его внутренняя энергия принимает первоначальное значение. Следовательно, за цикл изменение внутренней энергии рабочего тела равно нулю:

. (1)

Согласно первому закону термодинамики

, (2)

или A' = Q.

Работа A', совершенная рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно разности количества теплоты Q₁, полученного от нагревателя, и количества теплоты Q₂, отданного холодильнику:

Q = Q₁ - Q₂. (3)

Следовательно,

A' = Q₁ - Q₂. (4)

Коэффициет полезного действия , равный отношению полезно использованной энергии к затраченной энергии, для тепловой машины оказывается равным

или   

. (5)

Французский инженер Сади Карно (1796—1832) в 1824 г. установил чрезвычайно важную для практики зависимость КПД тепловой машины от температуры T₁ нагревателя и температуры T₂ холодильника: независимо от конструкции и выбора рабочего тела максимальное значение КПД тепловой машины определяется выражением

 

(6)

Любая реальная тепловая машина может иметь КПД, не превышающий это максимальное значение:

(7)

Выражение для максимального значения КПД тепловой машины показывает, что для повышения коэффициента полезного действия тепловых машин существует два пути — повышение температуры T₁ нагревателя и понижение температуры T₂ холодильника. КПД тепловой машины мог бы стать равным единице, если бы имелась возможность использовать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю.

   Однако этот путь даже теоретически неосуществим, так как абсолютный нуль, согласно представлениям термодинамики, не может быть достигнут.

   Наиболее приемлемыми холодильниками для реальных тепловых машин являются атмосферный воздух или вода при температуре около 300 К.Следовательно, основной путь повышения КПД тепловых машин — это повышение температуры нагревателя.

Необратимость тепловых процессов. При соприкосновении тел процесс теплопередачи происходит самопроизвольно от горячего тела к холодному до тех пор, пока оба тела не будут иметь одинаковые температуры. Все наблюдали, как налитый в чашку горячий чай постепенно остывает, нагревая окружающий воздух. Но никто не видел, чтобы теплый чай в чашке вдруг закипел за счет охлаждения окружающего его воздуха. Процессы теплопередачи самопроизвольно осуществляются только в одном направлении, поэтому их называют необратимыми процессами.

   Всегда осуществляется теплопередача тепла от горячего тела к холодному, потому что равномерное распределение быстрых и медленных молекул в двух соприкасающихся телах является более вероятным, чем такое распределение, при котором в одном теле будут только «быстрые» молекулы, а в другом — только «медленные». Системы, состоящие из большого числа частиц, будучи предоставленные самим себе, самопроизвольно переходят из состояний менее вероятных в состояния более вероятные.

«Вечный двигатель второго рода». Для работы обычного теплового двигателя необходимо иметь нагреватель и холодильник. Очень заманчивой кажется задача создания тепловой машины, которая могла бы совершить механическую работу с использованием нагревателя. Можно подсчитать, что при охлаждении Мирового океана только на 1 К можно получить энергию, достаточную для обеспечения всех потребностей человечества при современном уровне ее потребления на 14000 лет.

   Возможность создания такой машины, называемой «вечным двигателем второго рода», не противоречит первому закону термодинамики. Однако все известные на сегодня результаты опытов свидетельствуют о том, что создание «вечного двигателя второго рода» является столь же неразрешимой задачей, как и изготовление «вечного двигателя первого рода». Этот опытный факт принят в термодинамике в качестве второго основного постулата — второго закона термодинамики. Теплопередача самопроизвольно происходит только в одном направлении — от горячего тела к холодному. Значит, чтобы энергия теплового движения молекул воды Мирового океана превратилась в механическую энергию, необходимо иметь рабочее тело, температура которого ниже температуры воды в океане.    

Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики имеет несколько эквивалентных по своему физическому содержанию формулировок. Приведем две из них.