Краткий анализ с формулами и основными потерями.
1) Базовые соотношения. Для теплового двигателя из первого начала: $W=Q_h-Q_c$, КПД $\eta =\frac{W}{Q_h}=1-\frac{Q_c}{Q_h}$. Из неравенства Клаузиуса
$$\frac{Q_c}{T_c}-\frac{Q_h}{T_h}=\Delta S_{gen}\ge 0.$$ Следовательно
$$Q_c=\frac{T_c}{T_h}{Q}_h+T_c\Delta S_{gen}$$ и КПД записывается как
$$\eta =1-\frac{T_c}{T_h}-\frac{T_c\Delta S_{gen}}{Q_h}={\eta }_C-\frac{T_c\Delta S_{gen}}{Q_h},$$ где ${\eta }_C=1-\frac{T_c}{T_h}$ — КПД Карно. Второй член показывает, что все необратимости (генерация энтропии) снижают КПД по сравнению с Карно.
2) Энергетико‑эксергетическая интерпретация. Утрата полезной энергии (эксергии) связана с генерацией энтропии:
$${\dot{X}}_{destroy}=T_0{\dot{S}}_{gen},$$ где $T_0$ — температура окружения. Потери при теплообмене на температуре $T$ дают эксергетическую потерю примерно
$${\dot{X}}_{loss}=(1-\frac{T_0}{T}){\dot{Q}}_{loss}.$$
3) Наиболее типичные и ограничивающие потери (с пояснениями)
- Теплопередача через конечную разницу температур (irreversible heat transfer). Большая $\Delta T$ при нагреве/охлаждении даёт значительную $\Delta S_{gen}$ и высокую эксергетическую потерю, особенно если теплоподвод происходит при малой средней температуре.
- Неполнота/необратимость сгорания (для ДВС и ГТУ). Высокая генерация энтропии в горении и неполное сгорание уменьшают доступную эксергию.
- Гидродинамические потери (вязкое трение, турбулентность, давления падения в каналах, утечки). Приводят к механическим потерям и дополнительной генерации энтропии на любом уровне температур.
- Неполная/неидеальная адиабатичность: необратимая компрессия/экспансия (несовершенные турбины/компрессоры) — потери работы из за отклонений от оборотно‑адиабатических процессов.
- Отвод тепла в окружающую среду (охлаждение, радиация) и утечки горячих газов/паров (выброс энергии в сток) — прямые потери входной теплоты.
- Потери на вспомогательную энергию (насосы, вентиляторы, приводные механизмы) и механические трения в узлах.
- Охлаждение и отвод тупиковой струи (выбросы с высокой температурой в отработавших газах) — крупная часть потерь у паровых/газовых циклов.
- Потери при смешении и неравновесных процессах (например, при впуске/выпуске или смесеобразовании) — кратны энтропии смеси.
4) Что сильнее всего ограничивает КПД на практике
- В системах с горением: необратимость горения и теплоотвод в стенки/газовый сток.
- В турбинных/паровых установках: конечные температурные градиенты в котле/конденсаторе и гидродинамические/лопаточные потери.
- В поршневых ДВС: теплопотери в охлаждение и стенки, трение, неполное сгорание и потери на насос (потери на впуск/выпуск).
В общем — доминируют те процессы, где генерируется наибольшая энтропия при высоких температурах (горение, большие температурные перепады) или где теряется большая доля подведённой теплоты в холод (выбросы, охлаждение).
5) Краткие практические выводы для повышения КПД
- повышать среднюю температуру тепло-авления (увеличить $T_h$), снижать $T_c$ при возможности (увеличивает ${\eta }_C$);
- уменьшать тепловые градиенты (улучшить теплообменники, регенерацию/рекуперацию) — снижает $\Delta S_{gen}$;
- уменьшать гидродинамические и механические потери (лучшие лопатки, уплотнения, смазка);
- улучшать процесс сгорания и избегать утечек/тезисов горячих газов.
Заключение: реальный КПД = Карно минус штраф, пропорциональный генерации энтропии. На практике основными ограничителями являются необратимости теплообмена (конечные $\Delta T$), необратимости горения, гидродинамические и механические потери, а также теплопотери в отработавших потоках.