Проблема: как превратить тепло в механическую работу?
Газ, получает от нагревателя количество теплоты Q и, расширяясь, совершает работу A1>0.
Если сжатии газа происходит при той же температуре, то такое же количество теплоты передается холодильнику, и газ совершает работу A2<0.
Полезная работа в таком цикле A=A1+A2=0
Что необходимо сделать, чтобы работа в системе отличалась от нуля?
Для получения полезной работы, необходимо, чтобы A2<A1, т.е. сжатие газа должно происходить при более низкой температуре. Это возможно при использовании адиабатного процесса.
Французский инженер Сади Карно предложил следующий цикл, используя в качестве рабочего тела идеальный газ:
1. Газ изотермически расширяется при температуре Т1. Работа, совершаемая газом, равна количеству теплоты, полученной от нагревателя A1,2=Q1.
2. Газ продолжает расширяться адиабатно , совершая работу за счет уменьшения внутренней энергии газа A2,3=-DU1.
3. Газ изотермически сжимается внешними силами при температуре Т2 без изменения внутренней энергии газа. При этом газ отдает холодильнику количество теплоты, равное работе внешних сил -Q2=A3,4.
4. Газ продолжает сжиматься внешними силами адиабатно . Внутренняя энергия растет, т.к. процесс идет без теплообмена с внешней средой A4,1=DU2.
Т.о., для осуществления циклического процесса устройство должно содержать не тольконагреватель, но и холодильник. Полезный выход работы может быть получен только в процессе передачи тепла от горячего тела более холодному.
Тепловой двигатель — устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Из формулы 
видно, что коэффициент полезного действия теплового двигателя h=1, если Q2=0. Но при этом двигатель не будет циклическим. Даже в идеальном случае Q2 неравно 0. Тогда второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом:
В циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу.
У. Кельвин, 1851 г.
С. Карно доказал, что 
. Т.о. коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя (формула Карно)
. Т.о. коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя (формула Карно)
Из второго закона термодинамики следует:
1. Не может быть никакой тепловой машины с более высоким КПД, чем у цикла Карно.
Практически невозможно осуществить условия: T1 стремитсяк бесконечности и Т2 = 0. Поэтому даже у идеального теплового двигателя h<1.
2. Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя Т1 и холодильника Т2, но не зависит от устройства машины, а также от вида используемого рабочего тела.
Тепловые двигатели и их применение
Вопросы для самоконтроля по блоку «Тепловые двигатели»
- Что называют тепловым двигателем?
- Как устроен тепловой двигатель?
- Как определяют работу, совершенную двигателем?
- Запишите и объясните формулу КПД теплового двигателя.
- Как определить КПД идеальной тепловой машины?
- Назовите типы тепловых двигателей.
- Приведите примеры использования тепловых двигателей.
Опорный конспект:
