[latexpage]Тепловыми двигателями называются устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Принципиально схему любого теплового двигателя можно изобразить в виде схемы.
Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.
Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)
Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).
Для оценки эффективности работы тепловых двигателей вводят понятие коэффициента полезного действия — КПД. Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя
$\eta =\frac{{A}’}{Q_H}$.
КПД — величина безмерная и выражается в долях от единицы, например, $\eta =0,6$, либо в процентах, например, $\eta =60%$. Полезную работу, которую совершает рабочее тело можно найти как разность между количеством теплоты, полученной от нагревателя и отданной холодильнику
${A}’=Q_1-\left |Q_2 \right |$,
поэтому КПД может быть найден по формулам
$\eta =\frac{Q_1-\left | Q_2 \right |}{Q_1}=1-\frac{\left | Q_2 \right |}{Q_1}$.
В XIX веке французский инженер и ученый Сади Карно предложил способ определения максимально возможного КПД теплового двигателя (через термодинамическую температуру). Карно придумал так называемую идеальную тепловую машину — это тепловой двигатель, в котором рабочим телом является идеальный газ. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, который состоит из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми. В координатах $pV$ цикл Карно будет иметь вид
КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, можно вычислить следующим образом
$\eta =\frac{T_1-T_2}{T_1}=1-\frac{T_2}{T_1}$.
Последняя формула показывает, что КПД теплового двигателя тем больше, чем больше разность температур нагревателя и холодильника. Этого можно добиться либо повышая температуру нагревателя, либо уменьшая температуру холодильника.
Пример. Тепловой двигатель использует в качестве рабочего тела 1 моль идеального одноатомного газа. Цикл работы двигателя изображен на $pV$-диаграмме и состоит из двух адиабат, изохоры и изобары. Зная, что КПД этого цикла $\eta=15%$, а минимальная и максимальная температуры газа в изохорном процессе $t_{min}=37^{\circ}$ и $t_{max}=302^{\circ}$. Определите количество теплоты, получаемое газом за цикл.
Пример.