Тепловые двигатели. КПД

Определение. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — устройство, в котором теплота, полученная от нагревателя, частично превращается в механическую работу, а остальная часть отдаётся холодильнику (атмосфере, воде, радиатору).

Рабочее тело (пар, газ в цилиндре) совершает цикл: нагрев → расширение → охлаждение → сжатие.

Примеры: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), паровая турбина, паровоз.

Формула КПД

КПД теплового двигателя — отношение полезной работы к теплоте, полученной от нагревателя:

$\eta = \frac{A_{\text{полезная}}}{Q_{\text{затраченная}}} \cdot 100\%$

или, если $Q_{\text{полезная}}$ — теплота, эквивалентная полезной работе ($A = Q$ по смыслу энергии):

$\eta = \frac{Q_{\text{полезная}}}{Q_{\text{затраченная}}} \cdot 100\%$

КПД всегда меньше 100%, потому что часть теплоты неизбежно уходит холодильнику.

⚠️ Вечный двигатель невозможен: нельзя построить тепловой двигатель с КПД = 100% — это запрещено вторым началом термодинамики.

Обозначения

Символ	Название	Единица СИ
$\eta$	КПД	%
$A_{\text{полезная}}$	Полезная работа	Дж
$Q_{\text{затраченная}}$	Теплота от нагревателя	Дж

Пример 1

Дано: $Q_{\text{затр}} = 2 \times 10^6$ Дж, $A_{\text{пол}} = 6 \times 10^5$ Дж.

Формула: $\eta = A_{\text{пол}} / Q_{\text{затр}} \times 100\%$

Подстановка: $\eta = 6 \times 10^5 / (2 \times 10^6) \times 100\% = 30\%$

Ответ: КПД = 30%.

Пример 2

Дано: $\eta = 25\%$, $Q_{\text{затр}} = 800$ кДж. Найти $A_{\text{пол}}$.

Формула: $A_{\text{пол}} = \eta \cdot Q_{\text{затр}}$

Подстановка: $A = 0{,}25 \times 800\,000 = 200\,000$ Дж $= 200$ кДж

Ответ: $A_{\text{пол}} = 200$ кДж.

Экологический смысл

Низкий КПД означает больше теплоты в выхлопе и на нагрев деталей — больше расход топлива на тот же пробег. Повышение КПД — инженерная задача (лучше сгорание, меньше трение, рекуперация тепла).