Тепловые двигатели.

Назначение тепловых двигателей (паровых и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания и т. д.) - превращение внутренней энергии в механическую работу. Очевидно, что любой тепловой двигатель должен работать циклично, т. е. все его части должны периодически возвращаться в исходные состояния. Поэтому в основе работы тепловых двигателей лежат круговые процессы (или циклы), которые изображаются на термодинамических диаграммах в виде замкнутых кривых. Тело, совершающее цикл, называется рабочим телом. Обычно им является газ. Реальные тепловые двигатели работают по так называемому разомкнутому циклу, когда газ после расширения выбрасывается, а сжимается новая порция. Однако, это существенно не влияет на термодинамику процесса, и можно рассматривать замкнутый цикл, когда расширяется и сжимается одна и та же порция газа.

Рассмотрим так называемый прямой цикл 1а2b1 (см. рис.) в координатах p-V. Работа, совершенная рабочим телом за цикл, равна

.

На участке расширения работа положительна и равна площади под графиком процесса 1а2. При сжатии работа отрицательна и также равна площади под графиком процесса 2b1. Поэтому полная работа будет равна площади, ограниченной графиком цикла.

Для того, чтобы работа, совершенная за цикл, была положительна, необходимо, чтобы график расширения 1а2 располагался выше графика сжатия 2b1. Это возможно, если расширение идет при более высокой температуре, чем сжатие. Поэтому на участке расширения рабочее тело приводится в тепловой контакт с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и получает от него количество теплоты Q₁. На участке сжатия рабочее тело передает теплоту Q₂ охладителю, имеющему температуру Т₂<Т₁. Согласно первому началу термодинамики полезная работа за цикл

,

где знак неравенства соответствует реальному двигателю, а знак равенства - идеальному, где нет потерь энергии.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют величину, равную

.

Очевидно, что даже у идеального двигателя .