účinnosť tepelného motora. Účinnosť tepelného motora - definičný vzorec. Tepelný motor. Druhý zákon termodynamiky Typy tepelnej účinnosti tepelných motorov

Témou tejto lekcie bude zváženie procesov prebiehajúcich v celkom špecifických a nie abstraktných, ako v predchádzajúcich lekciách, zariadeniach - tepelných motoroch. Takéto stroje definujeme, popíšeme ich hlavné komponenty a princíp činnosti. Aj počas tejto lekcie sa bude brať do úvahy otázka hľadania účinnosti - účinnosti tepelných motorov, a to ako skutočnej, tak maximálnej možnej.

Téma: Základy termodynamiky
Lekcia: Princíp činnosti tepelného motora

Témou poslednej lekcie bol prvý termodynamický zákon, ktorý stanovil vzťah medzi určitým množstvom tepla, ktoré bolo odovzdané časti plynu a prácou, ktorú tento plyn vykonal počas expanzie. A teraz je čas povedať, že tento vzorec je zaujímavý nielen pre niektoré teoretické výpočty, ale aj pre celkom praktické použitie, pretože práca plynu nie je nič iné ako užitočná práca, ktorú získavame pri použití tepelných motorov.

Definícia. tepelný motor- zariadenie, v ktorom sa vnútorná energia paliva premieňa na mechanickú prácu (obr. 1).

Ryža. 1. Rôzne príklady tepelných motorov (), ()

Ako je možné vidieť z obrázku, tepelné motory sú akékoľvek zariadenia, ktoré fungujú podľa vyššie uvedeného princípu, a ich konštrukcia siaha od neuveriteľne jednoduchých až po veľmi zložité.

Všetky tepelné motory sú bez výnimky funkčne rozdelené do troch komponentov (pozri obr. 2):

• Ohrievač
• pracovný orgán
• Chladnička

Ryža. 2. Funkčná schéma tepelného motora ()

Ohrievač je proces spaľovania paliva, ktoré počas spaľovania odovzdáva veľké množstvo tepla plynu a zahrieva ho na vysoké teploty. Horúci plyn, ktorý je pracovnou tekutinou, sa v dôsledku zvýšenia teploty a následne tlaku rozširuje a vykonáva prácu. Samozrejme, keďže vždy dochádza k prenosu tepla skriňou motora, okolitým vzduchom atď., práca sa nebude číselne rovnať odovzdanému teplu - časť energie ide do chladničky, čo je spravidla životné prostredie.

Najjednoduchšie je predstaviť si proces prebiehajúci v jednoduchom valci pod pohyblivým piestom (napríklad valcom spaľovacieho motora). Prirodzene, aby motor fungoval a mal zmysel, proces musí prebiehať cyklicky, a nie jednorazovo. To znamená, že po každej expanzii sa plyn musí vrátiť do pôvodnej polohy (obr. 3).

Ryža. 3. Príklad cyklickej prevádzky tepelného motora ()

Aby sa plyn vrátil do pôvodnej polohy, je potrebné na ňom vykonať nejakú prácu (prácu vonkajších síl). A keďže práca plynu sa rovná práci na plyne s opačným znamienkom, aby plyn vykonal celkovú pozitívnu prácu za celý cyklus (inak by v motore nemal zmysel), je potrebné že práca vonkajších síl je menšia ako práca plynu. To znamená, že graf cyklického procesu v súradniciach P-V by mal vyzerať takto: uzavretá slučka s obtokom v smere hodinových ručičiek. Za tejto podmienky je práca plynu (v časti grafu, kde sa zväčšuje objem) väčšia ako práca na plyne (v časti, kde sa objem zmenšuje) (obr. 4).

Ryža. 4. Príklad grafu procesu prebiehajúceho v tepelnom stroji

Keďže hovoríme o určitom mechanizme, je nevyhnutné povedať, aká je jeho účinnosť.

Definícia. Účinnosť (koeficient výkonu) tepelného motora- pomer užitočnej práce vykonanej pracovnou kvapalinou k množstvu tepla odovzdaného do tela z ohrievača.

Ak vezmeme do úvahy šetrenie energie: energia, ktorá odišla z ohrievača, nikam nezmizne - časť sa odstráni vo forme práce, zvyšok ide do chladničky:

Dostaneme:

Toto je vyjadrenie účinnosti v dieloch, ak potrebujete získať hodnotu účinnosti v percentách, musíte výsledné číslo vynásobiť číslom 100. Účinnosť v systéme merania SI je bezrozmerná hodnota a ako je zrejmé z vzorec, nemôže byť viac ako jeden (alebo 100).

Treba tiež povedať, že tento výraz sa nazýva skutočná účinnosť alebo účinnosť skutočného tepelného motora (tepelného motora). Ak predpokladáme, že sa nám nejakým spôsobom podarí úplne zbaviť konštrukčných chýb motora, tak dostaneme ideálny motor a jeho účinnosť sa vypočíta podľa vzorca pre účinnosť ideálneho tepelného motora. Tento vzorec získal francúzsky inžinier Sadi Carnot (obr. 5):

Moderná realita zahŕňa rozšírenú prevádzku tepelných motorov. Početné pokusy nahradiť ich elektromotormi zatiaľ zlyhali. Problémy spojené s akumuláciou elektriny v autonómnych systémoch sa riešia veľmi ťažko.

Stále aktuálne sú problémy technológie výroby akumulátorov elektrickej energie s prihliadnutím na ich dlhodobé používanie. Rýchlostné charakteristiky elektrických vozidiel sú ďaleko od automobilov so spaľovacími motormi.

Prvé kroky k vytvoreniu hybridných motorov môžu výrazne znížiť škodlivé emisie v megamestách a vyriešiť problémy životného prostredia.

Trochu histórie

Možnosť premeny energie pary na energiu pohybu bola známa už v staroveku. 130 pred Kristom: Filozof Heron Alexandrijský predstavil publiku parnú hračku - aeolipila. Guľa naplnená parou sa začala otáčať pôsobením prúdov, ktoré z nej vychádzali. Tento prototyp moderných parných turbín nenašiel v tých časoch uplatnenie.

Po mnoho rokov a storočí bol vývoj filozofa považovaný len za zábavnú hračku. V roku 1629 Talian D. Branchi vytvoril aktívnu turbínu. Para uviedla do pohybu kotúč vybavený čepeľami.

Od tej chvíle sa začal prudký rozvoj parných strojov.

tepelný motor

Premena paliva na energiu pre pohyb častí strojov a mechanizmov sa využíva v tepelných motoroch.

Hlavné časti strojov: ohrievač (systém na získavanie energie zvonku), pracovná tekutina (vykonáva užitočnú činnosť), chladnička.

Ohrievač je navrhnutý tak, aby zabezpečil, že pracovná tekutina nahromadila dostatočnú zásobu vnútornej energie na vykonanie užitočnej práce. Chladnička odoberá prebytočnú energiu.

Hlavná charakteristika účinnosti sa nazýva účinnosť tepelných motorov. Táto hodnota ukazuje, aká časť energie vynaloženej na vykurovanie sa minie na vykonávanie užitočnej práce. Čím vyššia je účinnosť, tým je prevádzka stroja ziskovejšia, ale táto hodnota nemôže prekročiť 100%.

Výpočet účinnosti

Nechajte ohrievač získať zvonku energiu rovnajúcu sa Q 1 . Pracovná tekutina vykonala prácu A, zatiaľ čo energia poskytnutá chladničke bola Q2.

Na základe definície vypočítame účinnosť:

η= A/Q1. Berieme do úvahy, že A \u003d Q 1 - Q 2.

Odtiaľ nám účinnosť tepelného motora, ktorého vzorec má tvar η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, umožňuje vyvodiť tieto závery:

• Účinnosť nemôže prekročiť 1 (alebo 100 %);
• na maximalizáciu tejto hodnoty je potrebné buď zvýšenie energie prijatej z ohrievača, alebo zníženie energie dodanej do chladničky;
• zvýšenie energie ohrievača sa dosiahne zmenou kvality paliva;
• zníženie energie dodávanej do chladničky umožňuje dosiahnuť konštrukčné vlastnosti motorov.

Ideálny tepelný motor

Je možné vytvoriť taký motor, ktorého účinnosť by bola maximálna (v ideálnom prípade rovná 100%)? Na túto otázku sa pokúsil nájsť odpoveď francúzsky teoretický fyzik a talentovaný inžinier Sadi Carnot. V roku 1824 boli zverejnené jeho teoretické výpočty o procesoch vyskytujúcich sa v plynoch.

Hlavnou myšlienkou ideálneho stroja je vykonávať reverzibilné procesy s ideálnym plynom. S expanziou plynu začíname izotermicky pri teplote T 1 . Potrebné množstvo tepla je Q 1. Po expanzii plynu bez výmeny tepla sa plyn po dosiahnutí teploty T 2 izotermicky stlačí, čím sa energia Q 2 odovzdá do chladničky. Návrat plynu do pôvodného stavu je adiabatický.

Účinnosť ideálneho Carnotovho tepelného motora sa pri presnom výpočte rovná pomeru teplotného rozdielu medzi vykurovacím a chladiacim zariadením k teplote, ktorú má ohrievač. Vyzerá to takto: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Možná účinnosť tepelného motora, ktorej vzorec je: η= 1 - T 2 / T 1, závisí len od teploty ohrievača a chladiča a nemôže byť väčšia ako 100 %.

Tento pomer nám navyše umožňuje dokázať, že účinnosť tepelných motorov sa môže rovnať jednote iba vtedy, keď chladnička dosiahne teploty. Ako viete, táto hodnota je nedosiahnuteľná.

Carnotove teoretické výpočty umožňujú určiť maximálnu účinnosť tepelného motora akejkoľvek konštrukcie.

Carnotova veta je nasledovná. Ľubovoľný tepelný motor za žiadnych okolností nemôže mať koeficient účinnosti väčší, ako je podobná hodnota účinnosti ideálneho tepelného motora.

Príklad riešenia problému

Príklad 1 Aká je účinnosť ideálneho tepelného motora, ak je teplota ohrievača 800 °C a teplota chladničky je o 500 °C nižšia?

T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K, ∆T \u003d 500 o C \u003d 500 K, η -?

Podľa definície: η=(T1 - T2)/T1.

Nie je nám daná teplota chladničky, ale ∆T = (T 1 - T 2), odtiaľto:

η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.

Odpoveď: účinnosť = 46%.

Príklad 2 Určte účinnosť ideálneho tepelného motora, ak sa na získaný jeden kilojoul energie ohrievača vykoná užitočná práca 650 J. Aká je teplota ohrievača tepelného motora, ak je teplota chladiacej kvapaliny 400 K?

Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A \u003d 650 J, T 2 \u003d 400 K, η -?, T1 \u003d?

V tomto probléme hovoríme o tepelnej inštalácii, ktorej účinnosť možno vypočítať podľa vzorca:

Na určenie teploty ohrievača používame vzorec pre účinnosť ideálneho tepelného motora:

η \u003d (T1 - T2) / T1 \u003d 1 - T2 / T1.

Po vykonaní matematických transformácií dostaneme:

T1 \u003d T2/ (1- η).

T1 \u003d T2/ (1- A / Q 1).

Poďme počítať:

n= 650 J / 1000 J = 0,65.

T 1 \u003d 400 K / (1- 650 J / 1000 J) \u003d 1142,8 K.

Odpoveď: η \u003d 65 %, T 1 \u003d 1142,8 K.

Reálne podmienky

Ideálny tepelný motor je navrhnutý s ohľadom na ideálne procesy. Práca sa vykonáva iba v izotermických procesoch, jej hodnota je definovaná ako plocha ohraničená grafom Carnotovho cyklu.

V skutočnosti nie je možné vytvoriť podmienky pre proces zmeny skupenstva plynu bez sprievodných zmien teploty. Neexistujú žiadne materiály, ktoré by vylučovali výmenu tepla s okolitými predmetmi. Adiabatický proces už nie je možný. V prípade prenosu tepla sa musí nevyhnutne zmeniť teplota plynu.

Účinnosť tepelných motorov vytvorených v reálnych podmienkach sa výrazne líši od účinnosti ideálnych motorov. Všimnite si, že procesy v skutočných motoroch sú také rýchle, že kolísanie vnútornej tepelnej energie pracovnej látky v procese zmeny jej objemu nemôže byť kompenzované prílevom tepla z ohrievača a návratu do chladiča.

Iné tepelné motory

Skutočné motory pracujú v rôznych cykloch:

• Ottov cyklus: proces pri konštantnom objeme sa adiabaticky mení, čím vzniká uzavretý cyklus;
• Dieselový cyklus: izobara, adiabata, izochora, adiabata;
• proces prebiehajúci pri konštantnom tlaku je nahradený adiabatickým, čím sa cyklus uzatvára.

V reálnych motoroch nie je možné v podmienkach modernej techniky vytvárať rovnovážne procesy (približovať ich tým ideálnym). Účinnosť tepelných motorov je oveľa nižšia, a to aj pri zohľadnení rovnakých teplotných režimov ako v ideálnej tepelnej inštalácii.

Nemali by ste však znižovať úlohu vzorca na výpočet účinnosti, pretože sa stáva východiskovým bodom v procese zvyšovania účinnosti skutočných motorov.

Spôsoby, ako zmeniť efektivitu

Pri porovnávaní ideálnych a skutočných tepelných motorov stojí za zmienku, že teplota chladničky nemôže byť žiadna. Zvyčajne sa atmosféra považuje za chladničku. Teplotu atmosféry možno vziať len približnými výpočtami. Prax ukazuje, že teplota chladiacej kvapaliny sa rovná teplote výfukových plynov v motoroch, ako je to v prípade spaľovacích motorov (skrátene spaľovacie motory).

ICE je najbežnejším tepelným motorom v našom svete. Účinnosť tepelného motora v tomto prípade závisí od teploty vytvorenej horiacim palivom. Zásadným rozdielom medzi spaľovacím motorom a parným motorom je zlúčenie funkcií ohrievača a pracovnej tekutiny zariadenia v zmesi vzduch-palivo. Horením zmes vytvára tlak na pohyblivé časti motora.

Zvýšenie teploty pracovných plynov sa dosiahne výraznou zmenou vlastností paliva. Žiaľ, nedá sa to robiť donekonečna. Akýkoľvek materiál, z ktorého je vyrobená spaľovacia komora motora, má svoj vlastný bod topenia. Tepelná odolnosť takýchto materiálov je hlavnou charakteristikou motora, ako aj schopnosť výrazne ovplyvniť účinnosť.

Hodnoty účinnosti motora

Ak vezmeme do úvahy teplotu pracovnej pary, na ktorej vstupe je 800 K a výfukové plyny 300 K, potom je účinnosť tohto stroja 62%. V skutočnosti táto hodnota nepresahuje 40 %. K takémuto poklesu dochádza v dôsledku tepelných strát pri zahrievaní skrine turbíny.

Najvyššia hodnota vnútorného spaľovania nepresahuje 44%. Zvýšenie tejto hodnoty je otázkou blízkej budúcnosti. Zmena vlastností materiálov, palív je problém, na ktorom pracujú najlepšie mysle ľudstva.

Od staroveku sa ľudia snažili premeniť energiu na mechanickú prácu. Premieňali kinetickú energiu vetra, potenciálnu energiu vody atď. Od 18. storočia sa začali objavovať stroje, ktoré premieňajú vnútornú energiu paliva na prácu. Takéto stroje fungovali vďaka tepelným motorom.

Tepelný stroj je zariadenie, ktoré premieňa tepelnú energiu na mechanickú prácu v dôsledku expanzie (najčastejšie plynov) z vysokej teploty.

Všetky tepelné motory majú komponenty:

• Vyhrievacie teleso. Teleso s vysokou teplotou v porovnaní s prostredím.
• pracovný orgán. Keďže expanzia poskytuje prácu, tento prvok sa musí dobre rozširovať. Spravidla sa používa plyn alebo para.
• chladič. Telo s nízkou teplotou.

Pracovná tekutina dostáva tepelnú energiu z ohrievača. V dôsledku toho sa začne rozširovať a robiť prácu. Aby systém mohol opäť vykonávať prácu, musí sa vrátiť do pôvodného stavu. Preto sa pracovná tekutina ochladzuje, to znamená, že prebytočná tepelná energia sa vypúšťa do chladiaceho prvku. A systém sa dostane do pôvodného stavu, potom sa proces opakuje znova.

Výpočet účinnosti

Na výpočet účinnosti zavedieme nasledujúcu notáciu:

Q 1 - Množstvo tepla prijatého z vykurovacieho telesa

A’– Práca vykonaná pracovným orgánom

Q 2 - Množstvo tepla prijatého pracovnou kvapalinou z chladiča

V procese ochladzovania telo odovzdáva teplo, takže Q 2< 0.

Prevádzka takéhoto zariadenia je cyklický proces. To znamená, že po úplnom cykle sa vnútorná energia vráti do pôvodného stavu. Potom podľa prvého zákona termodynamiky bude práca vykonaná pracovnou tekutinou rovná rozdielu medzi množstvom tepla prijatého z ohrievača a tepla prijatého z chladiča:

Q 2 je záporná hodnota, takže sa berie modulo

Efektívnosť je vyjadrená ako pomer užitočnej práce k celkovej práci, ktorú systém vykonal. V tomto prípade sa celková práca bude rovnať množstvu tepla, ktoré sa vynaloží na ohrev pracovnej tekutiny. Všetka vynaložená energia je vyjadrená pomocou Q 1 .

Hlavným významom vzorca (5.12.2) získaného Carnotom pre účinnosť ideálneho stroja je, že určuje maximálnu možnú účinnosť akéhokoľvek tepelného motora.

Carnot dokázal na základe druhého termodynamického zákona* nasledujúcu vetu: akýkoľvek skutočný tepelný motor pracujúci s teplotným ohrievačomT 1 a teplotu chladničkyT 2 , nemôže mať účinnosť presahujúcu účinnosť ideálneho tepelného motora.

* Carnot v skutočnosti ustanovil druhý termodynamický zákon pred Clausiom a Kelvinom, keď prvý termodynamický zákon ešte nebol dôsledne sformulovaný.

Najprv zvážte tepelný motor pracujúci v reverzibilnom cykle so skutočným plynom. Cyklus môže byť ľubovoľný, dôležité je len to, aby boli teploty ohrievača a chladničky T 1 A T 2 .

Predpokladajme, že účinnosť iného tepelného motora (nepracujúceho podľa Carnotovho cyklu) η ’ > η . Stroje pracujú so spoločným ohrievačom a spoločným chladičom. Nechajte Carnotov stroj pracovať v opačnom cykle (ako chladiaci stroj) a druhý stroj v doprednom cykle (obr. 5.18). Tepelný motor vykonáva rovnakú prácu podľa vzorcov (5.12.3) a (5.12.5):

Chladiaci stroj môže byť vždy navrhnutý tak, aby odoberal množstvo tepla z chladničky Q 2 = ||

Potom sa na ňom bude pracovať podľa vzorca (5.12.7).

(5.12.12)

Pretože podľa podmienky η" > η , To A" > A. Preto môže tepelný motor poháňať chladiaci motor a stále bude prebytok práce. Táto nadbytočná práca sa robí na úkor tepla odoberaného z jedného zdroja. Koniec koncov, teplo sa neprenáša do chladničky pôsobením dvoch strojov naraz. To je však v rozpore s druhým zákonom termodynamiky.

Ak predpokladáme, že η > η ", potom môžete nechať iný stroj pracovať v opačnom cykle a Carnotov stroj v priamom smere. Opäť sa dostávame do rozporu s druhým termodynamickým zákonom. Preto dva stroje pracujúce na reverzibilných cykloch majú rovnakú účinnosť: η " = η .

Iná vec je, ak druhý stroj pracuje v nezvratnom cykle. Ak pripustíme η " > η , potom sa opäť dostávame do rozporu s druhým termodynamickým zákonom. Avšak predpoklad m|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, alebo

Toto je hlavný výsledok:

(5.12.13)

Účinnosť skutočných tepelných motorov

Vzorec (5.12.13) udáva teoretickú hranicu maximálnej účinnosti tepelných motorov. Ukazuje, že tepelný motor je efektívnejší, čím vyššia je teplota ohrievača a tým nižšia je teplota chladničky. Len keď sa teplota v chladničke rovná absolútnej nule, η = 1.

Teplota chladničky však prakticky nemôže byť oveľa nižšia ako teplota okolia. Môžete zvýšiť teplotu ohrievača. Akýkoľvek materiál (pevný) má však obmedzenú tepelnú odolnosť alebo tepelnú odolnosť. Pri zahrievaní postupne stráca svoje elastické vlastnosti a topí sa pri dostatočne vysokej teplote.

Teraz je hlavné úsilie inžinierov zamerané na zvýšenie účinnosti motorov znížením trenia ich častí, strát paliva v dôsledku jeho nedokonalého spaľovania atď. Skutočné príležitosti na zvýšenie účinnosti sú tu stále veľké. Takže pre parnú turbínu sú počiatočné a konečné teploty pary približne nasledovné: T 1 = 800 K a T 2 = 300 K. Pri týchto teplotách je maximálna hodnota účinnosti:

Skutočná hodnota účinnosti v dôsledku rôznych druhov energetických strát je približne 40 %. Maximálnu účinnosť - asi 44% - majú spaľovacie motory.

Účinnosť akéhokoľvek tepelného motora nemôže prekročiť maximálnu možnú hodnotu
, kde T 1 - absolútna teplota ohrievača a T 2 - absolútna teplota chladničky.

Zvýšenie účinnosti tepelných motorov a jej priblíženie k maximálnemu možnému- najdôležitejšia technická výzva.

V teoretickom modeli tepelného motora sú uvažované tri telesá: ohrievač, pracovný orgán A chladnička.

Ohrievač - tepelný zásobník (veľké teleso), ktorého teplota je konštantná.

V každom cykle prevádzky motora pracovná tekutina prijíma určité množstvo tepla z ohrievača, expanduje a vykonáva mechanickú prácu. Presun časti prijatej energie z ohrievača do chladničky je nevyhnutný na to, aby sa pracovná kvapalina vrátila do pôvodného stavu.

Pretože model predpokladá, že teplota ohrievača a chladničky sa počas prevádzky tepelného motora nemení, potom na konci cyklu: ohrev-expanzia-chladenie-stlačenie pracovnej tekutiny sa považuje za návrat stroja do pôvodného stavu.

Pre každý cyklus na základe prvého zákona termodynamiky môžeme napísať, že množstvo tepla Q zaťaženie prijaté z ohrievača, množstvo tepla | Q cool |, daný do chladničky, a práca vykonaná pracovným orgánom A sú navzájom prepojené:

A = Q zaťaženie – | Q studený|.

V skutočných technických zariadeniach, ktoré sa nazývajú tepelné motory, sa pracovná kvapalina ohrieva teplom uvoľneným pri spaľovaní paliva. Takže v parnej turbíne elektrárne je ohrievač pecou s horúcim uhlím. V spaľovacom motore (ICE) možno produkty spaľovania považovať za ohrievač a prebytočný vzduch za pracovnú tekutinu. Ako chladničku využívajú vzduch z atmosféry alebo vodu z prírodných zdrojov.

Účinnosť tepelného motora (stroja)

Účinnosť tepelného motora (účinnosť) je pomer práce vykonanej motorom k množstvu tepla prijatého z ohrievača:

Účinnosť akéhokoľvek tepelného motora je menšia ako jedna a vyjadruje sa v percentách. Nemožnosť premeny celého množstva tepla prijatého z ohrievača na mechanickú prácu je cenou, ktorú treba zaplatiť za potrebu organizovať cyklický proces a vyplýva z druhého termodynamického zákona.

V skutočných tepelných motoroch je účinnosť určená experimentálnym mechanickým výkonom N motor a množstvo paliva spáleného za jednotku času. Ak teda včas t masovo spálené palivo m a špecifické spalné teplo q, To

Pre vozidlá je často referenčnou charakteristikou objem V palivo spálené na ceste s pri mechanickom výkone motora N a v rýchlosti. V tomto prípade, berúc do úvahy hustotu r paliva, môžeme napísať vzorec na výpočet účinnosti:

Druhý zákon termodynamiky

Existuje niekoľko formulácií druhý termodynamický zákon. Jeden z nich hovorí, že je nemožný tepelný stroj, ktorý by robil prácu len vďaka zdroju tepla, t.j. bez chladničky. Svetový oceán by jej mohol slúžiť ako prakticky nevyčerpateľný zdroj vnútornej energie (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Iné formulácie druhého termodynamického zákona sú ekvivalentné tomuto.

Clausiova formulácia(1850): je nemožný proces, pri ktorom by sa teplo samovoľne prenášalo z menej zahriatych telies na viac zahriate telesá.

Thomsonova formulácia(1851): je nemožný kruhový proces, ktorého jediným výsledkom by bola produkcia práce znížením vnútornej energie tepelného zásobníka.

Clausiova formulácia(1865): všetky spontánne procesy v uzavretom nerovnovážnom systéme prebiehajú v takom smere, v ktorom entropia systému rastie; v stave tepelnej rovnováhy je maximálna a konštantná.

Boltzmannova formulácia(1877): uzavretý systém mnohých častíc spontánne prechádza z viac usporiadaného stavu do menej usporiadaného. Spontánny výstup systému z rovnovážnej polohy je nemožný. Boltzmann zaviedol kvantitatívnu mieru neporiadku v systéme pozostávajúcom z mnohých telies - entropia.

Účinnosť tepelného motora s ideálnym plynom ako pracovnou kvapalinou

Ak je daný model pracovnej tekutiny v tepelnom motore (napríklad ideálny plyn), potom je možné vypočítať zmenu termodynamických parametrov pracovnej tekutiny pri expanzii a kontrakcii. To vám umožňuje vypočítať účinnosť tepelného motora na základe zákonov termodynamiky.

Na obrázku sú znázornené cykly, pre ktoré možno vypočítať účinnosť, ak je pracovnou tekutinou ideálny plyn a parametre sú nastavené v miestach prechodu jedného termodynamického procesu na druhý.

Carnotov cyklus. Účinnosť ideálneho tepelného motora

Najvyššia účinnosť pri daných teplotách ohrievača T kúrenie a chladnička T chlad má tepelný motor, kde sa pracovná tekutina rozširuje a zmršťuje Carnotov cyklus(obr. 2), ktorého graf tvoria dve izotermy (2–3 a 4–1) a dva adiabaty (3–4 a 1–2).

Carnotova veta dokazuje, že účinnosť takéhoto motora nezávisí od použitej pracovnej tekutiny, takže ju možno vypočítať pomocou termodynamických vzťahov pre ideálny plyn:

Environmentálne dôsledky tepelných motorov

Intenzívne využívanie tepelných motorov v doprave a energetike (tepelné a jadrové elektrárne) výrazne ovplyvňuje biosféru Zeme. Hoci existujú vedecké spory o mechanizmoch vplyvu ľudskej činnosti na klímu Zeme, mnohí vedci poukazujú na faktory, vďaka ktorým môže k takémuto vplyvu dôjsť:

1. Skleníkový efekt je zvýšenie koncentrácie oxidu uhličitého (produkt spaľovania v ohrievačoch tepelných strojov) v atmosfére. Oxid uhličitý prenáša viditeľné a ultrafialové žiarenie zo Slnka, ale pohlcuje infračervené žiarenie zo Zeme. To vedie k zvýšeniu teploty spodných vrstiev atmosféry, zvýšeniu hurikánových vetrov a globálnemu topeniu ľadu.
2. Priamy vplyv toxických výfukových plynov na zver (karcinogény, smog, kyslé dažde z vedľajších produktov spaľovania).
3. Ničenie ozónovej vrstvy počas letov lietadiel a štartov rakiet. Ozón vo vyšších vrstvách atmosféry chráni všetok život na Zemi pred nadmerným ultrafialovým žiarením zo Slnka.

Východisko z nastupujúcej ekologickej krízy spočíva vo zvyšovaní účinnosti tepelných strojov (účinnosť moderných tepelných motorov málokedy presahuje 30 %); používanie prevádzkyschopných motorov a neutralizátorov škodlivých výfukových plynov; využívanie alternatívnych zdrojov energie (solárne batérie a ohrievače) a alternatívnych dopravných prostriedkov (bicykle a pod.).