§ 26. КПД теплового двигателя

устройство, преобразующее внутреннюю энергию сгорающего топлива в механическую работу посредством периодически повторяющегося термодинамического цикла.

• 1. Основные конструктивные элементы — нагреватель, рабочее тело и холодильник.
• 2. Закон сохранения энергии — механическая работа теплового двигателя не может превышать количество теплоты, полученное от нагревателя: $A \le Q_1 - Q_2$.

источник тепла (топка парового котла, камера сгорания ДВС, реактор АЭС), в котором за счёт сгорания топлива выделяется энергия и передаётся рабочему телу количество теплоты $Q_1$.

газ или пар высокого давления и температуры, находящийся в цилиндре или турбине, который при расширении совершает механическую работу за счёт своей внутренней энергии.

• 1. Примеры — водяной пар в паровых турбинах и машинах; смесь воздуха с продуктами сгорания углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания.

тело с более низкой температурой, чем нагреватель (окружающий атмосферный воздух, проточная вода в конденсаторе паровой турбины), которому рабочее тело отдаёт неиспользованное количество теплоты $Q_2$ при сжатии и охлаждении для возврата в исходное термодинамическое состояние.

механическая работа, совершённая рабочим телом при расширении за вычетом работы, затраченной на его сжатие, а также потерь на трение в механизмах и нагревание внешних деталей:

• 1. Формула — $A = Q_1 - Q_2$ (для идеального термодинамического цикла), в реальности $A_{\text{полезн}} < Q_1 - Q_2$.
• 2. Единица измерения — Джоуль ($\text{Дж}$).

фундаментальная физическая величина, равная отношению совершённой двигателем полезной работы ($A$) к количеству теплоты ($Q_1$), выделившемуся при полном сгорании топлива:

• 1. Формула через полезную работу — $\eta = \frac{A}{Q_1}$.
• 2. Формула через теплоту нагревателя и холодильника — $\eta = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} \cdot 100\% = \left(1 - \frac{Q_2}{Q_1}\right) \cdot 100\%$.
• 3. Свойство — КПД любого теплового двигателя строго меньше $1$ (меньше $100\%$), поскольку передача тепла холодильнику ($Q_2 > 0$) является обязательным условием циклической работы.
• 4. Типичные значения КПД — паровозы: $5\text{--}7\%$, карбюраторные ДВС: $20\text{--}25\%$, дизели: $35\text{--}40\%$, современные турбоагрегаты электростанций: $40\text{--}50\%$.

Для непрерывной (циклической) работы теплового двигателя рабочее тело после расширения и совершения работы должно возвращаться в исходное сжатое состояние. Чтобы работа сжатия была меньше работы расширения, рабочее тело перед сжатием необходимо охладить, приведя его в тепловой контакт с более холодным телом — холодильником.

Вследствие этого рабочее тело неизбежно отдаёт окружающей среде (холодильнику) часть энергии $Q_2$. Кроме того, происходят неизбежные потери энергии на нагревание деталей самого двигателя, теплопередачу в атмосферу через стенки корпуса и преодоление сил трения в движущихся узлах. Поэтому механическая полезная работа всегда меньше полной теплоты сгорания топлива: $A < Q_1$.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение совершённой полезной механической работы ($A$) к количеству теплоты ($Q_1$), выделившемуся при сгорании топлива:

$$\eta = \frac{A}{Q_1} \quad \text{или} \quad \eta = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} \cdot 100\%$$

КПД любого реального и идеального теплового двигателя всегда строго меньше $100\%$ по двум ключевым причинам:

• 1) Принципиальное термодинамическое требование (второй закон термодинамики): невозможно циклическое превращение тепла в работу без передачи части тепла холодильнику ($Q_2 > 0$). Если $Q_2 > 0$, то отношение $\frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} < 1$.
• 2) Технические потери: часть тепловой энергии уносится с выхлопными газами, рассеивается в деталях двигателя за счёт теплопроводности, а часть механической работы необратимо теряется на преодоление сил трения в подшипниках, поршнях и шарнирах.

В единичном изолированном процессе расширения газа внутренняя энергия может полностью превратиться в механическую работу (например, расширение газа в теплоизолированном цилиндре под невесомым поршнем без трения). Однако осуществить периодический (циклический) процесс, в котором всё подведённое тепло целиком и без остатка превращалось бы в механическую работу без передачи части энергии окружающим телам (холодильнику), невозможно в силу законов термодинамики.

• Двигатель внутреннего сгорания (автомобильный бензиновый/дизельный):
• Нагреватель: химическая реакция сгорания распылённого топлива в воздухе внутри цилиндра при искровом поджиге или самовоспламенении от сжатия;
• Рабочее тело: раскалённая смесь воздуха и газообразных продуктов сгорания бензина или дизтоплива;
• Холодильник: окружающий атмосферный воздух (через радиатор охлаждения и выхлопную трубу).
• Паровая турбина на ТЭС:
• Нагреватель: топка парового котла (горение угля, мазута или природного газа);
• Рабочее тело: перегретый водяной пар высокого давления;
• Холодильник: вода из реки или градирни, циркулирующая в конденсаторе отработавшего пара.