Кратко: тепловой двигатель превращает часть тепла в работу за счёт циклических процессов рабочего тела, но второй закон термодинамики ограничивает максимальную эффективность и запрещает полное преобразование тепла в работу в цикле.
Физические принципы:
- Первый закон (энергия): при цикле изменение внутренней энергии = 0, поэтому выполненная работа равна разности подведённого и отведённого тепла: $W=Q_h-Q_c$.
- Теплопередача и термодинамический цикл: рабочее тело получает тепло от горячего резервуара при температуре $T_h$, отдаёт часть тепла холодному резервуару при $T_c$ и выполняет работу за счёт расширений/сжатий в цикле (напр., циклы Карно, Отто, Дизеля, Рэнкина).
- Второй закон (энтропия): при реальных процессах суммарная энтропия системы и окружающей среды возрастает; это накладывает структурные ограничения на возможные превращения тепла в работу.
Ограничения второго закона:
- Невозможность полного преобразования тепла в работу в цикле (утверждение Кельвина–Планка).
- Для двигателя эффективность определяется как $\eta =\frac{W}{Q_h}=1-\frac{Q_c}{Q_h}$.
- Для обратимого (ритмически идеального) цикла Карно соотнесение теплоперепадов даёт $\frac{Q_c}{Q_h}=\frac{T_c}{T_h}$, откуда верхняя граница эффективности
$${\eta }_{\text{Carnot}}=1-\frac{T_c}{T_h}.$$ Это максимальная теоретическая эффективность между двумя тепловыми резервуарами при температурах $T_h$ и $T_c$.
- Для необратимых процессов возникает производство энтропии $\sigma >0$: $\frac{Q_h}{T_h}-\frac{Q_c}{T_c}=\sigma$, что даёт $\frac{Q_c}{Q_h}>\frac{T_c}{T_h}$ и, следовательно, $\eta <{\eta }_{\text{Carnot}}$.
Практические следствия:
- Невозможен «вечный двигатель II рода» и 100% эффективность, если $T_c>0$.
- Реальные факторы (кондукция, трение, теплоотдача при конечных разностях температур, необратимости) дополнительно уменьшают эффективность по сравнению с ${\eta }_{\text{Carnot}}$.
- Увеличить эффективность можно, повышая $T_h$ или понижая $T_c$, но это ограничено материалами и технологией.
Итого: второй закон даёт строгую верхнюю границу эффективности — карно-границу ${\eta }_{\text{Carnot}}=1-T_c/T_h$; реальные двигатели всегда работают с меньшей эффективностью из-за необратимостей.