Термический коэффициент полезного действия

В качестве количественной характеристики термодинамической эффективности любого теплового двигателя используется так называемый термический коэффициент полезного действия (термический КПД) , определяемый отношением полезной работы, полученной в двигателе за цикл, к затраченному теплу от верхнего источника за этот же цикл, т.е. по определению

(4.3)

Первое начало термодинамики в применении к циклам тепловых машин (4.2) в формулировке В.Томсона даёт

(4.4)

причём следует иметь в виду, что здесь под понимается теплота, отнятая от верхнего источника тепла и переданная рабочему телу, т.е. по отношению к рабочему телу эта теплота положительна в соответствии с выбором знака теплоты. Величина же есть теплота, отданная рабочим телом нижнему источнику тепла, и по отношению отношению к рабочему телу эта теплота отрицательна, т.е., строго говоря, в применении к рабочему телу (4.4) должно быть записано в виде

(4.5)

Тогда выражение для термического КПД принимает вид

(4.6)

После того как отказались от попыток построить вечный двигатель I рода, появились проекты тепловых двигателей, которые, по замыслу изобретателей, могли бы полностью превращать теплоту какого-либо источника тепла Q ₁ в полезную работу L _o. В частности, можно вообразить гипотетический тепловой двигатель, который бы производил полезную работу за счёт отнятия тепла от океанской воды. Легко подсчитать, что в этом случае охлаждение вод Мирового океана всего на 1^оС дало бы количество энергии, которой хватило бы человечеству примерно на один миллион лет при современных темпах её потребления. Такой практически вечный двигатель, который полностью превращал бы теплоту источника в полезную работу, получил название вечного двигателя второго рода. Многочисленные попытки построить такой двигатель оказались безуспешными. Этот факт, не противоречащий I началу термодинамики, т.е. закону сохранения энергии, был возведён В.Томсоном (лордом Кельвином) в ранг закона, получившего название второго начала термодинамики. Итак, в формулировке Томсона второе начало термодинамики гласит: вечный двигатель второго рода невозможен.

Кроме этого немецким учёным Рудольфом Клаузиусом была дана другая формулировка второго начала термодинамики, которая гласит: теплота может самопроизвольно переходить только от тел с бò льшей температурой к телам с меньшей температурой; обратный переход невозможен без компенсации, т.е. без затраты внешней работы. Мы увидим в дальнейшем, что эти две формулировки (Томсона и Клаузиуса) эквивалентны, т.е. если предположить нарушение одной из них, то будет нарушена другая.

Замечание. Известно около двух десятков формулировок второго начала термодинамики, каждая из которых акцентирует внимание на том или ином аспекте проблемы превращения теплоты в работу, однако все они эквивалентны, т.е. являются логическим следствием какой-либо одной из них.

Формулировка Клаузиуса указывает на несимметрию процессов в макроскопической природе, на их необратимость. Наиболее распространёнными необратимыми процессами являются процессы теплообмена при конечной разности температур, трение при относительном движении соприкасающихся твёрдых тел, вязкое трение, т.е. внутреннее трение при движении жидкости или газа с неоднородным распределением скоростей, большинство химических реакций, диффузия и т.д. Все эти необратимые процессы сопровождаются диссипацией энергии, её рассеянием, так называемой " деградацией" энергии, т.е. переходом упорядоченной формы движения в неупорядоченную, хаотическую форму движения молекул и других структурных единиц макроскопических тел.

Итак, первый закон термодинамики даёт следующее ограничение для термического КПД тепловых двигателей

в то время как второе начало в формулировке Томсона накладывает более жёсткое ограничение

т.е. термический КПД любого теплового двигателя строго меньше единицы, поскольку теплота, передаваемая нижнему источнику тепла (теплоприёмнику), никогда не равна нулю.