КПД тепловой машины и окружающая среда

Можно ли усовершенствовать двигатель так, чтобы вся полученная теплота за каждый цикл становилась работой? Проследим энергию от горячего источника до вала и окружающей среды.

Чтобы газ снова и снова совершал работу, он должен получать энергию и возвращаться к исходному состоянию. В схеме тепловой машины нагреватель передаёт рабочему телу, например газу, теплоту Q₁. Рабочее тело совершает работу и отдаёт часть энергии Q₂ более холодному телу — холодильнику. Здесь холодильник обозначает роль в обмене: им может служить воздух или вода, а не обязательно бытовой прибор.

Выберем один полный цикл. Рабочее тело вернулось в исходное состояние, значит, его внутренняя энергия в конце такая же, как в начале. Полученная теплота поэтому не остаётся новым запасом внутри: Q₁ = A + Q₂. Здесь Q₁ и Q₂ — положительные модули полученной и отданной теплоты, A — итоговая работа за цикл. Увеличим Q₂ при прежнем Q₁ — на работу останется меньше. Это проверка закона сохранения энергии.

Баланс сам по себе допустил бы Q₂ = 0 и A = Q₁. Но наблюдения тепловых процессов дают дополнительное ограничение: циклическая машина не может иметь единственным результатом полное превращение теплоты одного нагревателя в работу. Ей нужен отвод энергии к более холодной среде. Это не следствие неудачных шестерёнок: даже устранив трение, такой двигатель не получит КПД 100%. Реальные трение и тепловые потери дополнительно снижают результат.

Сравним два двигателя, получивших одинаковое Q₁: эффективнее тот, который дал больше работы A. Поэтому КПД η = A/Q₁. Обе энергии берут за один цикл в одинаковых единицах; единицы сокращаются, а для процентов отношение умножают на 100%. При том же Q₁ удвоенная A даёт удвоенный η; при A = 0 КПД нулевой. Баланс даёт также η = 1 − Q₂/Q₁: чем большая доля уходит холодильнику, тем меньшая остаётся работе.

Где провести границу машины? Топливо может выделить qm, но часть энергии уйдёт мимо рабочего тела ещё при нагреве. Тогда полученное им Q₁ меньше qm. КПД двигателя по теплоте рабочего тела равен A/Q₁, а КПД всей установки по топливу — A/(qm). Оба отношения осмысленны, но отвечают разным вопросам. Нельзя подменять один знаменатель другим: сначала назови вход энергии и затем сравнивай одинаково определённые установки.

Представь, что две установки должны поднять одинаковый груз на одинаковую высоту. Полезная работа одинакова. Из определения КПД следует: затраченная энергия равна полезной работе, делённой на КПД. При большем КПД нужно меньше входной энергии, а при том же топливе — обычно меньшая его масса. Неиспользованная энергия не исчезает: она поступает в окружение. Поэтому экономия означает меньшие затраты на один и тот же результат.

Два последствия работы тепловой установки надо различать. Отвод энергии нагревает среду, а сгорание топлива образует продукты реакции, состав которых зависит от топлива и процесса. Повышение КПД уменьшает затраты на данную работу; очистка выбросов меняет состав того, что попадает в воздух; выбор источника меняет путь получения энергии. Одно улучшение не означает автоматического устранения всех остальных воздействий.

Машина получила 500 Дж и отдала холодильнику 350 Дж за цикл. Другими потерями пренебречь. Найдите работу и КПД.

За цикл внутренняя энергия рабочего тела не меняется. Из поступивших 500 Дж 350 Дж ушли холодильнику, поэтому A = 500 − 350 = 150 Дж.

Ищем долю входной теплоты, превратившуюся в работу: η = 150/500 = 0,30 = 30%.

Оставшаяся доля равна 350/500 = 70%. Вместе 30% и 70% дают 100%, так что баланс энергии выполнен.

Работа 150 Дж; КПД 30%. Из каждых 100 Дж полученной теплоты в этом режиме 30 Дж становятся работой, 70 Дж передаются холодильнику.

За цикл рабочее тело не накапливает энергию: Q₁ распределяется между работой и отводом Q₂.

Необходимость холодильника нельзя устранить одним уменьшением трения.

КПД имеет смысл только с ясно выбранной входной энергией и одинаковой границей расчёта.

Далее начнём электричество: выясним, почему тела приобретают заряд и взаимодействуют на расстоянии.