Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

Эффективность теплового двигателя определяется отношением полезной работы двигателя к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Коэффициентом полезного действия η теплового двигателя называют выраженное в процентах отношение полезной работы А_пол, совершённой двигателем, к количеству теплоты Q₁, полученной от нагревателя:

Из соотношения _пол = Q₁ - Q₂ следует, что

Поскольку переданное холодильнику количество теплоты Q₂ > 0, коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше 100 %.

2. За некоторое время нагреватель передал рабочему телу количество теплоты 5 кДж, а рабочее тело отдало холодильнику количество теплоты 4 кДж. Чему равен КПД?

Максимально возможный КПД теплового двигателя

Исследуя различные циклические процессы, французский учёный С. Карно доказал, что

максимально возможный коэффициент полезного действия теплового двигателя

В этой формуле Т₁ — температура нагревателя, а Т₂ — температура холодильника.

Как увеличить КПД теплового двигателя? Из формулы (5) следует, что этого можно достичь двумя способами: повышая температуру Т₁ нагревателя и понижая температуру Т₂ холодильника. Какой способ более эффективен?

Чтобы ответить на этот вопрос, заметим, что температура холодильника Т₂ не может быть ниже температуры окружающего воздуха, поэтому особенно сильно понизить её невозможно. Следовательно, единственно возможный путь — повышать насколько возможно температуру Т₁ нагревателя. Однако и тут есть ограничение: температура нагревателя не должна превышать температуру плавления материалов, из которых изготовлен двигатель.

Формула (5) соответствует максимально возможному КПД теплового двигателя. У реальных тепловых двигателей он существенно меньше максимально возможного. Например, КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 30—40 %.

3. Чему равен максимально возможный КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 1000 °С, а температура холодильника 20 °С?