Тепловые двигатели и КПД

Что такое тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу. К тепловым двигателям относятся паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели. Они приводят в движение автомобили, корабли, самолёты и вырабатывают значительную часть электроэнергии.

Любой тепловой двигатель состоит из трёх частей: нагревателя, рабочего тела (обычно газа или пара) и холодильника. Нагреватель передаёт теплоту рабочему телу, рабочее тело расширяется и совершает работу, а холодильник принимает оставшуюся теплоту, возвращая рабочее тело в исходное состояние для нового цикла.

Принцип работы

Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q1, совершает работу A и отдаёт холодильнику количество теплоты Q2. По закону сохранения энергии совершённая за цикл работа равна разности полученной и отданной теплоты:

A = Q1 - Q2

Принципиально важно: невозможно построить двигатель, который полностью превращал бы всю полученную теплоту в работу. Часть теплоты обязательно отдаётся холодильнику — это следствие второго закона термодинамики.

Коэффициент полезного действия

КПД теплового двигателя — это отношение совершённой работы к полученной от нагревателя теплоте:

eta = A / Q1 = (Q1 - Q2) / Q1

КПД всегда меньше единицы (меньше 100 процентов), так как Q2 не может быть равно нулю. Часто КПД выражают в процентах.

Цикл Карно

Французский инженер Сади Карно показал, что максимальным КПД обладает идеальный двигатель, работающий по особому циклу. Максимальный КПД зависит только от температур нагревателя T1 и холодильника T2:

eta_max = (T1 - T2) / T1

Температуры здесь берутся по абсолютной шкале (в кельвинах). Из формулы видно: чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника, тем больше КПД.

Пример решения задачи

Нагреватель имеет температуру T1 = 600 К, холодильник T2 = 300 К. Найти максимально возможный КПД.

eta_max = (600 - 300) / 600 = 0,5 = 50%

Это значит, что даже идеальный двигатель при таких температурах превратит в работу не более половины полученной теплоты. Реальный двигатель из-за трения и потерь теплоты будет иметь ещё меньший КПД.

Частые ошибки

В формуле цикла Карно температуры обязательно нужно переводить в кельвины. Подстановка градусов Цельсия даёт неверный результат. Также помните, что реальный КПД всегда меньше максимального.

Кратко о главном

• Тепловой двигатель превращает теплоту в работу.
• Состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.
• Работа за цикл: A = Q1 - Q2.
• КПД: eta = (Q1 - Q2) / Q1.
• Максимальный КПД: eta_max = (T1 - T2) / T1 в кельвинах.