🌡️ Термодинамика

Термический КПД

англ. Thermal efficiency

Доля подведённого тепла, превращённая в работу за цикл: η = A/Q₁ = 1 − Q₂/Q₁; для цикла Карно совпадает с разностью температур, для реальных циклов всегда ниже.

Термический КПД отвечает на главный вопрос тепловой машины: какая доля полученного тепла превратилась в работу. За цикл рабочее тело получает $Q_{1}$ от нагревателя, отдаёт $Q_{2}$ холодильнику и производит работу $A = Q_{1} - Q_{2}$ , откуда $η = A / Q_{1} = 1 - Q_{2} / Q_{1}$ . Формула честная до жёсткости: знаменатель — всё, что вы оплатили топливом, числитель — то, что вышло на валу. Второе начало запрещает $Q_{2} = 0$ в цикле: часть тепла обязана уйти холодильнику, и мечта о стопроцентном КПД разбивается о неё в первую очередь.

Числа: цикл Карно между $800$ и $400$ К даёт $η = 1 - 400/800 = 0, 5$ — потолок для этой пары резервуаров. Реальный цикл с теми же резервуарами всегда ниже: двигатель внутреннего сгорания держит $0, 25$ – $0, 35$ , паросиловая станция $0, 35$ – $0, 42$ , газотурбинная с утилизацией тепла дотягивается до $0, 6$ . Разрыв с потолком — это трение, конечные разности температур, неполнота сгорания; их учёт превращает термодинамику в теплотехнику. Эталонное значение даёт цикл Карно, причина потолка — второе начало термодинамики, а разбор рабочих циклов — в уроке процессы и циклы.

η = \frac{A}{Q _{1}} = \frac{Q _{1} - Q _{2}}{Q _{1}} = 1 - \frac{Q _{2}}{Q _{1}} \leq 1 - \frac{T _{2}}{T _{1}}

левое равенство — определение; правое неравенство — теорема Карно: равенство достижимо только обратимым циклом

Частые вопросы

Чем термический КПД отличается от механического и электрического?

Термический считают от подведённого тепла к работе цикла рабочего тела. Дальше по цепочке добавляются потери: механический КПД учитывает трение в подшипниках и на валу, электрический — потери в генераторе. Произведение этих коэффициентов даёт КПД станции «от топлива до розетки». Путаница возникает, когда сравнивают разные звенья цепи: КПД двигателя в паспорте — термический, КПД электростанции в новостях — электрический, и числа различаются на десятки процентов.

Может ли КПД быть больше единицы или отрицательным?

У теплового двигателя — нет: за цикл работа не превышает полученного тепла, значит $η \leq 1$ , а второе начало срезает планку ещё ниже. Числа больше единицы появляются у холодильных машин и тепловых насосов, но там показатель другой — холодильный коэффициент: тепло, перекачанное с улицы, делённое на затраченную работу. Перекачать можно больше, чем потратить, — это не вечный двигатель, а переносчик: смотри тепловой насос.