§ 26. КПД теплового двигателя

Тепловой двигатель получает энергию от нагревателя и использует рабочее тело для выполнения механической работы. Однако всю полученную энергию превратить в полезную работу при циклическом действии нельзя. Часть передаётся более холодному телу, которое называют холодильником. В реальных устройствах дополнительная часть энергии рассеивается из-за трения, нагревания деталей и других процессов. Поэтому для оценки двигателя нужно сравнить полезный результат с затраченной энергией.

Коэффициент полезного действия, сокращённо КПД, равен отношению полезной работы к полученной энергии. Его обозначают буквой η и часто выражают в процентах. Если двигатель из ста джоулей энергии превращает в полезную работу двадцать пять джоулей, его КПД составляет двадцать пять процентов. Оставшаяся энергия не исчезает: она переходит окружающим телам или сохраняется в продуктах и деталях, но не выполняет нужную полезную работу.

Для идеализированного цикла, в котором рабочее тело получает Q₁ и отдаёт холодильнику Q₂, работа равна Q₁−Q₂. Тогда η = (Q₁−Q₂)/Q₁. Если энергия поступает от сгорания топлива, её рассчитывают как qm при соответствующих условиях полного сгорания. В задачах нужно выяснить, относительно какой энергии определяется КПД: всей энергии топлива или энергии, фактически полученной рабочим телом. Без этого одинаковые числовые формулы можно применить к разным границам системы.

Повышение КПД позволяет выполнять ту же работу с меньшим расходом топлива. Для этого уменьшают нежелательные потери и совершенствуют конструкцию, но учитывают прочность материалов и безопасность. Использование тепловых двигателей связано также с выбросами и нагреванием окружающей среды. Поэтому эффективность рассматривают вместе с экологическими последствиями. Утверждение о стопроцентном КПД циклического теплового двигателя противоречит его принципу работы; высокая мощность двигателя сама по себе тоже не означает высокий КПД.