Тепловые двигатели и холодильные машины

Термостатом называется термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами практически без изменения собственной температуры.

Принцип работы теплового двигателя: от термостата с более высокой температурой , называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты , а термостату с более низкой температурой , называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты , при этом совершается работа .

Термический КПД двигателя:

.

Чтобы КПД был равен 1, необходимо, чтобы = 0, а это запрещено вторым началом термодинамики.

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине: от термостата с более низкой температурой за цикл отнимается количество теплоты и отдается термостату с более высокой температурой . При этом или .

Количество теплоты , отданное системой термостату , больше количества теплоты , полученного от термостата на величину работы, совершенной над системой.

Эффективность холодильной машины характеризует холодильный коэффициент - отношение отнятой от термостата с более низкой температурой количества теплоты к работе А, которая затрачивается на приведение холодильной машины в действие:

.
Теорема Карно.
Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников , наибольшим КПД обладают обратимые машины. При этом КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников, равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела, а определяются только температурами нагревателя и холодильника.
Цикл Карно.
Наиболее экономичный обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

Последовательные термодинамические процессы в цикле Карно.

1-изотерма-2-адиабата-3-изотерма-4-адиабата-1:

Изотермическое расширение 1-2 ,
Адиабатическое расширение 2-3 ,
Изотермическое сжатие 3-4 ,
Адиабатическое сжатие ,

Работа, совершаемая в результате кругового процесса:

Для адиабат 2-3 и 4-1 уравнение Пуассона: , , откуда .

Используя это, термический КПД цикла Карно:

действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника.