Коротко — физический верхний предел КПД задаёт второй закон термодинамики: для двигателя, работающего между теплоисточником при температуре $T_h$ и холодильником при $T_c$ (абсолютные температуры), обратимый (Карно) цикл даёт максимум
$${\eta }_C=1-\frac{T_c}{T_h}.$$ Общее выражение КПД любого цикла:
$$\eta =\frac{W_{\text{out}}}{Q_h}=1-\frac{Q_c}{Q_h},$$ а для обратимого процесса $Q_c/Q_h=T_c/T_h$. Второй закон даёт неравенство для необратимых процессов:
$$\frac{Q_h}{T_h}-\frac{Q_c}{T_c}=\Delta S_{\text{gen}}\ge 0,$$ откуда следует $\eta \le {\eta }_C$. Для конечной мощности полезна модель эндореверсивного цикла, дающая оценку при конечных скоростях теплообмена:
$${\eta }_{CA}=1-\sqrt{\frac{T_c}{T_h}}.$$
Реальные факторы, снижающие КПД по сравнению с ${\eta }_C$ (кратко, с пояснениями):
- Генерация энтропии (ирреверсивности) в теплообмене: конечные температурные градиенты при передаче тепла приводят к $\Delta S_{\text{gen}}>0$ и потерям топлива в виде недоступной работы.
- Ограниченная скорость теплообмена (конвективное сопротивление): для получения мощности требуется ненулевой перепад температур между рабочим телом и резервуаром — увеличивает необратимость.
- Трение и механические потери: трение в подшипниках, уплотнениях, трение рабочих тел уменьшает полезную работу.
- Утечки и потери потока: протечки рабочего тела, неполная герметичность, сброс давлений — снижение эффективной экспансии.
- Давление и гидравлические потери: падения давления в трубопроводах, на соплах и клапанах уменьшают полезную энергию.
- Неполное или неравномерное сгорание (для тепловых двигателей с горением): химические и кинетические ограничения, тепловыделение не во всю рабочую фазу.
- Тепловые потери: утечка тепла в корпус, радиация и конвекция в окружающую среду, теплоёмкость конструкции (временное накопление/потери).
- Ограничения по материаловедению: пределы рабочей температуры $T_h$ из-за прочности, коррозии и теплоусталости — прямой предел для повышения ${\eta }_C$.
- Несовершенство рабочего цикла: отклонения от идеальных изотерм/адиабат, неполная экспансия, промежуточные потери при регенерации/рекуперации.
- Регулирование и пусковые режимы: частые пуска/остановы, частично загруженная работа снижают средний КПД.
- Неидеальная циркуляция и смешение: турбулентные потери, неоднородности температуры/состава рабочего тела.
Как следствие: реальные КПД существенно ниже ${\eta }_C$; даже при том же $T_h,T_c$ практический предел определяется суммой всех перечисленных необратимостей и конструктивных ограничений. Для повышения практического КПД применяют повышение $T_h$ (с учётом материалов), понижение $T_c$ (охлаждение), комбинированные циклы (например Brayton+Rankine), рекуператоры и оптимизацию теплообмена, снижение трения и утечек — но никогда нельзя превысить ${\eta }_C$.