Soojusmasinate maksimaalne kasutegur (Carnot’ teoreem). Soojusmootori efektiivsus. Soojusmasina efektiivsus – definitsioonivalem Soojusmasinate kasutegur lühidalt

Soojusmasin (masin) on seade, mis muudab kütuse siseenergia mehaaniliseks tööks, vahetades soojust ümbritsevate kehadega. Enamik kaasaegseid auto-, lennuki-, mere- ja raketimootoreid on konstrueeritud soojusmasina põhimõtetel. Tööd tehakse tööaine ruumala muutmisega ja mis tahes tüüpi mootori kasuteguri iseloomustamiseks kasutatakse väärtust, mida nimetatakse jõudlusteguriks (efektiivsus).

Kuidas soojusmootor töötab

Termodünaamika (füüsika haru, mis uurib sise- ja mehaanilise energia vastastikuse teisenemise ning energia ühelt kehalt teisele ülekandumise seadusi) seisukohalt koosneb iga soojusmasin küttekehast, külmikust ja töövedelikust. .

Riis. 1. Soojusmasina töö plokkskeem:

Esimene mainimine soojusmasina prototüübi kohta viitab auruturbiinile, mis leiutati Vana-Roomas (II sajand eKr). Tõsi, leiutis ei leidnud sel ajal laialdast rakendust paljude abiosade puudumise tõttu. Näiteks sel ajal ei olnud veel leiutatud sellist võtmeelementi mis tahes mehhanismi tööks nagu laager.

Mis tahes soojusmootori üldine tööskeem näeb välja järgmine:

• Küttekeha temperatuur T 1 on piisavalt kõrge suure koguse soojuse Q 1 ülekandmiseks. Enamikus soojusmootorites saadakse küte kütusesegu (kütus-hapnik) põletamisel;
• Mootori töövedelik (aur või gaas) teeb kasulikku tööd A, näiteks kolvi liigutamine või turbiini pööramine;
• Külmkapp neelab osa töövedelikust energiast. Külmkapi temperatuur T 2< Т 1 . То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q 1 .

Soojusmasin (mootor) peab töötama pidevalt, seega peab töövedelik naasma algsesse olekusse, et selle temperatuur muutuks võrdseks T 1-ga. Protsessi järjepidevuse tagamiseks peab masin töötama tsükliliselt, perioodiliselt korrates. Tsüklilise mehhanismi loomiseks - töövedeliku (gaasi) algsesse olekusse viimiseks - on vaja külmkappi gaasi jahutamiseks kompressiooniprotsessi ajal. Külmik võib olla atmosfäär (sisepõlemismootorite jaoks) või külm vesi (auruturbiinide jaoks).

Mis on soojusmasina kasutegur

Soojusmasinate efektiivsuse määramiseks tegi prantsuse mehaanikainsener Sadi Carnot 1824.a. tutvustas soojusmasina efektiivsuse mõistet. Tõhususe tähistamiseks kasutatakse kreeka tähte η. η väärtus arvutatakse soojusmasina efektiivsuse valemi abil:

$$ η = (A \ üle Q1) $$

Kuna $ A = Q1 - Q2 $, siis

$ η = (1 - Q2 \ üle Q1) $

Kuna kõigis mootorites kantakse osa soojusest üle külmikusse, on see alati η< 1 (меньше 100 процентов).

Ideaalse soojusmootori maksimaalne võimalik kasutegur

Ideaalse soojusmootorina pakkus Sadi Carnot välja masina, mille töövedelikuks on ideaalne gaas. Ideaalne Carnot’ mudel töötab tsüklil (Carnot’ tsükkel), mis koosneb kahest isotermist ja kahest adiabaadist.

Riis. 2. Carnot'i tsükkel :.

Tuletame meelde:

• Adiabaatiline protsess See on termodünaamiline protsess ilma soojusvahetuseta keskkonnaga (Q = 0);
• Isotermiline protsess See on termodünaamiline protsess, mis toimub konstantsel temperatuuril. Kuna ideaalse gaasi siseenergia sõltub ainult temperatuurist, siis gaasile ülekantava soojushulgast K läheb täielikult tööle A (Q = A) .

Sadi Carnot tõestas, et maksimaalne võimalik kasutegur, mida ideaalne soojusmasin suudab saavutada, määratakse järgmise valemiga:

$$ ηmax = 1- (T2 \ üle T1) $$

Carnot’ valem võimaldab arvutada soojusmasina maksimaalse võimaliku kasuteguri. Mida suurem on küttekeha ja külmiku temperatuuride vahe, seda suurem on kasutegur.

Milline on eri tüüpi mootorite tegelik kasutegur

Antud näidetest on näha, et kõige kõrgemad kasutegur (40-50%) on sisepõlemismootoritel (diiselversioonis) ja vedelkütusel töötavad reaktiivmootorid.

Riis. 3. Tõeliste soojusmasinate kasutegur :.

Mida me õppisime?

Nii saime teada, mis on mootori kasutegur. Iga soojusmasina kasutegur jääb alati alla 100 protsendi. Mida suurem on temperatuuride erinevus küttekeha T 1 ja külmiku T 2 vahel, seda suurem on efektiivsus.

Test teemade kaupa

Aruande hindamine

Keskmine hinne: 4.2. Kokku saadud hinnanguid: 293.

Ja abistavad valemid.

Füüsikalised ülesanded soojusmasina tõhususe tagamiseks

Soojusmasina nr 1 kasuteguri arvutamise ülesanne

Seisund

175 g kaaluv vesi kuumutatakse piirituslambis. Kui vesi soojenes t1 = 15-lt t2 = 75 kraadini Celsiuse järgi, siis piirituslambi mass vähenes 163-lt 157 g-le Arvutage paigalduse efektiivsus.

Lahendus

Kasutegurit saab arvutada kasuliku töö ja piirituslambi poolt eraldatava soojushulga kogusumma suhtena:

Kasulik töö on sel juhul samaväärne soojushulgaga, mida kasutati ainult kütmiseks. Seda saab arvutada tuntud valemi abil:

Arvutame kogu soojushulga, teades põletatud alkoholi massi ja selle eripõlemissoojust.

Asendage väärtused ja arvutage:

Vastus: 27%

Soojusmasina nr 2 kasuteguri arvutamise ülesanne

Seisund

Vana mootor tegi 220,8 MJ tööd, samal ajal kulutas 16 kilogrammi bensiini. Arvutage mootori efektiivsus.

Lahendus

Leiame mootori poolt toodetud soojuse koguhulga:

Või korrutades 100-ga, saame efektiivsuse väärtuse protsentides:

Vastus: 30%.

Soojusmasina nr 3 kasuteguri arvutamise ülesanne

Seisund

Soojusmasin töötab Carnot' tsükli järgi, samas kui 80% küttekehast saadavast soojusest kandub üle külmkappi. Ühe tsükli jooksul saab töövedelik küttekehast 6,3 J soojust. Leidke töö ja tsükli tõhusus.

Lahendus

Ideaalse soojusmootori kasutegur:

Tingimuse järgi:

Arvutame kõigepealt töö ja seejärel efektiivsuse:

Vastus: kakskümmend%; 1.26 J.

Soojusmasina nr 4 kasuteguri arvutamise ülesanne

Seisund

Diagramm näitab diiselmootori tsüklit adiabaatidega 1–2 ja 3–4, isobaaridega 2–3 ja isohooridega 4–1. Gaasi temperatuurid punktides 1, 2, 3, 4 on võrdsed vastavalt T1, T2, T3, T4. Leidke tsükli efektiivsus.

Lahendus

Analüüsime tsüklit ja kasutegur arvutatakse välja tarnitud ja eemaldatud soojushulga kaudu. Adiabaatidel soojust ei tarnita ega eemaldata. Isobaril 2–3 tarnitakse soojust, maht suureneb ja vastavalt tõuseb temperatuur. Isokooris 4–1 soojus eemaldatakse ning rõhk ja temperatuur langevad.

Samamoodi:

Saame tulemuse:

Vastus: Vt eespool.

Soojusmasina nr 5 kasuteguri arvutamise ülesanne

Seisund

Carnot tsükli järgi töötav soojusmasin teeb ühes tsüklis tööd A = 2,94 kJ ja annab jahutisse ühe tsükli jooksul soojushulga Q2 = 13,4 kJ. Leidke tsükli efektiivsus.

Lahendus

Kirjutame üles efektiivsuse valemi:

Vastus: 18%

Küsimused soojusmasinate kohta

Küsimus 1. Mis on soojusmootor?

Vastus. Soojusmasin on masin, mis kasutab soojusülekande käigus talle antud energiat. Soojusmasina põhiosad: küttekeha, külmik ja töövedelik.

2. küsimus. Too näiteid soojusmasinatest.

Vastus. Esimesed soojusmasinad, mis levisid, olid aurumasinad. Kaasaegse soojusmootori näited on järgmised:

• rakettmootor;
• lennuki mootor;
• gaasiturbiin.

3. küsimus. Kas mootori kasutegur võib olla võrdne ühtsusega?

Vastus. Ei. Kasutegur on alati väiksem kui üks (või alla 100%). Ühtsusega võrdse kasuteguriga mootori olemasolu on vastuolus termodünaamika esimese seadusega.

Päris mootorite kasutegur ületab harva 30%.

4. küsimus. Mis on tõhusus?

Vastus. Kasutegur (tõhususkoefitsient) on mootori tehtud töö ja küttekehast saadava soojushulga suhe.

5. küsimus. Mis on kütuse eripõlemissoojus?

Vastus. Eripõlemissoojus q- füüsikaline suurus, mis näitab, kui palju soojust eraldub 1 kg massiga kütuse põlemisel. Ülesannete lahendamisel saab kasuteguri määrata mootori võimsuse N ja ajaühikus põletatud kütuse hulga järgi.

Carnot' tsükli ülesanded ja küsimused

Soojusmasinate teemat puudutades on võimatu kõrvale jätta Carnot' tsüklit - võib-olla kõige kuulsamat soojusmasina tsüklit füüsikas. Siin on mõned Carnot' tsükli lisaprobleemid ja küsimused koos lahendusega.

Carnot' tsükkel (või protsess) on ideaalne ringtsükkel, mis koosneb kahest adiabaadist ja kahest isotermist. Seda nimetatakse nii prantsuse inseneri Sadi Carnot auks, kes kirjeldas seda tsüklit oma teaduslikus töös "Tule liikumapanevast jõust ja seda jõudu arendavatest masinatest" (1894).

Carnot' tsükli probleem nr 1

Seisund

Ideaalne Carnot tsükli järgi töötav soojusmasin teeb ühes tsüklis tööd A = 73,5 kJ. Küttekeha temperatuur t1 = 100 ° C, külmiku temperatuur t2 = 0 ° C. Leidke tsükli kasutegur, soojushulk, mille masin ühe tsükli jooksul küttekehast saab, ja soojushulk, mis ühe tsükli jooksul kütteseadmele eraldatakse. külmkapp.

Lahendus

Arvutame tsükli efektiivsuse:

Teisest küljest kasutame masina poolt vastuvõetud soojushulga leidmiseks suhet:

Külmikule antav soojushulk võrdub soojuse koguhulga ja kasuliku töö vahega:

Vastus: 0,36; 204,1 kJ; 130,6 kJ.

Carnot' tsükli probleem nr 2

Seisund

Ideaalne Carnot tsükli järgi töötav soojusmasin teeb ühes tsüklis tööd A = 2,94 kJ ja annab ühe tsükliga külmikusse soojushulga Q2 = 13,4 kJ. Leidke tsükli efektiivsus.

Lahendus

Carnot' tsükli efektiivsuse valem:

Siin on A ideaalne töö ja Q1 on soojushulk, mis selle tegemiseks oli vajalik. Soojushulk, mille ideaalne masin külmikusse annab, on võrdne nende kahe väärtuse vahega. Seda teades leiame:

Vastus: 17%.

Carnot' tsükli probleem nr 3

Seisund

Joonistage skeemil Karnoti tsükkel ja kirjeldage seda

Lahendus

Karnoti tsükkel PV diagrammil näeb välja selline:

• 1-2. Isotermiline paisumine, töövedelik saab küttekehast soojushulga q1;
• 2-3. Adiabaatiline paisumine, soojuse sisend puudub;
• 3-4. Isotermiline kokkusurumine, mille käigus soojus kandub külmkappi;
• 4-1. Adiabaatiline kompressioon.

Vastus: vt eespool.

Küsimus Carnot' tsükli nr 1 kohta

Määrake Carnot' esimene teoreem

Vastus. Esimene Carnot’ teoreem ütleb: Carnot’ tsükli järgi töötava soojusmasina kasutegur sõltub ainult küttekeha ja külmiku temperatuuridest, kuid ei sõltu masina seadmest ega ka selle töövedeliku tüübist ega omadustest. .

Küsimus Carnot' tsükli nr 2 kohta

Kas Carnot' tsükli efektiivsus võib olla 100%?

Vastus. Ei. Carnot' tsükli efektiivsus on 100% ainult siis, kui külmiku temperatuur on võrdne absoluutse nulliga, mis on võimatu.

Kui teil on veel küsimusi soojusmasinate ja Carnot tsükli kohta, küsige neid julgelt kommentaarides. Ja kui vajate abi probleemide lahendamisel või muudel näidetel ja ülesannetel, võtke ühendust

Mootori töö on võrdne:

Esimest korda käsitles seda protsessi prantsuse insener ja teadlane N. LS Carnot 1824. aastal raamatus "Mõtisklused tule edasiviivast jõust ja masinatest, mis on võimelised seda jõudu arendama".

Carnot’ uurimistöö eesmärk oli välja selgitada tolleaegsete soojusmasinate ebatäiuslikkuse põhjused (nende kasutegur oli ≤ 5%) ja otsida võimalusi nende parandamiseks.

Carnot' tsükkel on kõige tõhusam võimalik. Selle efektiivsus on maksimaalne.

Joonisel on kujutatud tsükli termodünaamilised protsessid. Isotermilise paisumise protsessis (1-2) temperatuuril T 1 , töö toimub küttekeha siseenergia muutmise teel, st soojushulga gaasiga varustamisega. K:

A 12 = K 1 ,

Gaasi jahutamine enne kokkusurumist (3-4) toimub adiabaatilise paisumise ajal (2-3). Muutus sisemises energias ΔU 23 adiabaatilises protsessis ( Q = 0) on täielikult muudetud mehaaniliseks tööks:

A 23 = -ΔU 23 ,

Gaasi temperatuur adiabaatilise paisumise tagajärjel (2-3) langeb külmiku temperatuurini. T 2 < T 1 ... Protsessis (3-4) surutakse gaas isotermiliselt kokku, kandes soojushulga üle külmkappi 2. küsimus:

A 34 = Q 2,

Tsükkel lõpeb adiabaatilise kokkusurumisprotsessiga (4-1), mille käigus gaas kuumutatakse temperatuurini T 1.

Ideaalsel gaasil töötavate soojusmasinate efektiivsuse maksimaalne väärtus vastavalt Carnot' tsüklile:

.

Valemi olemus väljendub tõestatud KOOS... Carnot’ teoreem, mille kohaselt ei saa ühegi soojusmasina kasutegur ületada küttekeha ja külmiku samal temperatuuril läbi viidud Carnot’ tsükli efektiivsust.

Soojusmootori efektiivsus. Vastavalt energia jäävuse seadusele on mootori töö võrdne:

kus on küttekehast saadud soojus, on külmikusse antud soojus.

Soojusmasina kasutegur on mootori tehtud töö ja kütteseadmest saadava soojushulga suhe:

Kuna kõikides mootorites kantakse külmkappi teatud hulk soojust, siis kõigil juhtudel

Soojusmasinate efektiivsuse maksimaalne väärtus. Prantsuse insener ja teadlane Sadi Carnot (1796 1832) seadis oma töös "Peegeldus tule liikumapaneva jõu kohta" (1824) eesmärgiks: välja selgitada, millistel tingimustel on soojusmasina töö kõige tõhusam, st. millistel tingimustel on mootoril maksimaalne efektiivsus.

Carnot mõtles välja ideaalse soojusmasina, mille töövedelikuks oli ideaalne gaas. Ta arvutas välja selle masina kasuteguri, mis töötab temperatuurisoojendi ja külmkapiga

Selle valemi peamine tähendus on, nagu Carnot tõestas, tuginedes termodünaamika teisele seadusele, et ühelgi reaalsel soojusmasinal, mis töötab koos temperatuuriküttekeha ja temperatuuriga külmikuga, ei saa olla kasutegur, mis ületaks ideaalse soojusmasina efektiivsust.

Valem (4.18) annab soojusmasinate kasuteguri maksimaalse väärtuse teoreetilise piiri. See näitab, et mida kõrgem on küttekeha ja madalam külmiku temperatuur, seda tõhusam on soojusmasin. Ainult külmiku temperatuuril, mis on võrdne absoluutse nulliga,

Kuid külmiku temperatuur ei saa praktiliselt olla ümbritsevast temperatuurist palju madalam. Saate tõsta küttekeha temperatuuri. Kuid mis tahes materjalil (tahkel) on piiratud kuumakindlus või kuumakindlus. Kuumutamisel kaotab see järk-järgult oma elastsed omadused ja piisavalt kõrgel temperatuuril sulab.

Nüüd on inseneride peamised jõupingutused suunatud mootorite efektiivsuse tõstmisele, vähendades nende osade hõõrdumist, kütusekadusid selle mittetäieliku põlemise tõttu jne. Reaalsed võimalused efektiivsuse tõstmiseks on siin siiski suured. Seega on auruturbiini auru alg- ja lõpptemperatuurid ligikaudu järgmised: Nendel temperatuuridel on maksimaalne efektiivsus:

Erinevat tüüpi energiakadudest tingitud efektiivsuse tegelik väärtus on võrdne:

Soojusmasinate kasuteguri tõstmine, maksimaalsele võimalikult lähedale viimine on kõige olulisem tehniline probleem.

Soojusmasinad ja loodushoid. Soojusmasinate laialdane kasutamine, et saada võimalikult mugavat energiat, võrreldes

kõik muud tüüpi tootmisprotsessid on seotud keskkonnamõjudega.

Termodünaamika teise seaduse kohaselt ei saa elektri- ja mehaanilise energia tootmine põhimõtteliselt toimuda ilma märkimisväärses koguses soojust keskkonda viimata. See võib kaasa tuua Maa keskmise temperatuuri järkjärgulise tõusu. Nüüd on voolutarve umbes 1010 kW. Kui see võimsus saavutab keskmise temperatuuri, tõuseb see märgatavalt (umbes ühe kraadi võrra). Temperatuuri edasine tõus võib ohustada liustike sulamist ja meretaseme katastroofilist tõusu.

Kuid see ei ammenda soojusmootorite kasutamise negatiivseid tagajärgi. Soojuselektrijaamade ahjud, autode sisepõlemismootorid jne paiskavad pidevalt atmosfääri taimedele, loomadele ja inimestele kahjulikke aineid: väävliühendeid (söe põlemisel), lämmastikoksiide, süsivesinikke, süsinikmonooksiidi (CO), jne. Erilise ohuna on selles osas esindatud autod, mille arv kasvab hirmuäratavalt ning heitgaaside puhastamine on raskendatud. Tuumaelektrijaamades tekib ohtlike radioaktiivsete jäätmete kõrvaldamise probleem.

Lisaks nõuab auruturbiinide kasutamine elektrijaamades suuri alasid tiikide jaoks väljalaskeauru jahutamiseks.Elektrijaamade võimsuse suurenemisega suureneb järsult nõudlus vee järele. 1980. aastal oli meie riigis nendel eesmärkidel vaja vett, see tähendab umbes 35% kõigi majandussektorite veevarustusest.

Kõik see tekitab ühiskonnale mitmeid tõsiseid probleeme. Soojusmasinate efektiivsuse tõstmise kõige olulisema ülesande kõrval on vaja läbi viia mitmeid keskkonnakaitsemeetmeid. Vaja on tõsta nende konstruktsioonide efektiivsust, mis takistavad kahjulike ainete atmosfääri paiskamist; saavutada automootorites kütuse täielikum põlemine. Juba praegu ei tohi sõita sõidukid, mille heitgaasides on kõrge CO sisaldus. Käsitletakse võimalust luua tavasõidukitega konkureerivaid elektrisõidukeid ning võimalust kasutada heitgaasides kahjulike aineteta kütust näiteks mootorites, mis töötavad vesiniku ja hapniku segul.

Ruumi ja veevarude säästmiseks on soovitatav ehitada suletud veevarustustsükliga terveid, eelkõige tuumajaamade komplekse.

Teine jõupingutuste valdkond on energiakasutuse efektiivsuse suurendamine, võitlus selle säästmise eest.

Ülaltoodud probleemide lahendus on inimkonna jaoks eluliselt tähtis. Ja need probleemid maksimaalse eduga saavad

lahendatakse sotsialistlikus ühiskonnas, kus on planeeritud riigi mastaabis majandusareng. Kuid keskkonnakaitse korraldamine nõuab ülemaailmset pingutust.

1. Milliseid protsesse nimetatakse pöördumatuteks? 2. Nimeta tüüpilisemad pöördumatud protsessid. 3. Too näiteid pöördumatute protsesside kohta, mida tekstis ei mainita. 4. Sõnasta termodünaamika teine ​​seadus. 5. Kui jõed voolaksid tagurpidi, kas see energia jäävuse seaduse rikkumine tähendaks? 6. Millist seadet nimetatakse soojusmasinaks? 7. Milline on soojusmasina küttekeha, külmiku ja töökeskkonna roll? 8. Miks on võimatu kasutada ookeani sisemist energiat soojusmasinate energiaallikana? 9. Mida nimetatakse soojusmasina kasuteguriks?

10. Mis on soojusmasina kasuteguri maksimaalne võimalik väärtus?

>> Füüsika: Soojusmasinate tööpõhimõte. Soojusmasinate jõudlustegur (COP).

Sisemise energia varusid maakoores ja ookeanides võib pidada praktiliselt piiramatuteks. Kuid praktiliste probleemide lahendamiseks ei piisa energiavarudest. Samuti on vaja energiat kasutada tehastes ja tehastes tööpinkide, transpordivahendite, traktorite ja muude masinate liikuma panemiseks, elektrivoolu generaatorite rootorite pöörlemiseks jne. Inimkond vajab mootoreid - seadmeid, mis on võimelised seda tegema. tööd. Enamik mootoreid Maal on soojusmasinad... Soojusmootorid on seadmed, mis muudavad kütuse siseenergia mehaaniliseks energiaks.
Soojusmasinate tööpõhimõtted. Selleks, et mootor töötaks, on mootori kolvi või turbiini labade mõlemal küljel vaja rõhkude erinevust. Kõigis soojusmootorites saavutatakse see rõhuerinevus töövedeliku (gaasi) temperatuuri tõstmisega sadade või tuhandete kraadide võrra võrreldes ümbritseva keskkonna temperatuuriga. See temperatuuri tõus tekib kütuse põletamisel.
Mootori üks peamisi osi on liigutatava kolviga gaasiga täidetud anum. Kõigi soojusmasinate töövedelikuks on gaas, mis teeb tööd paisumisel. Tähistame läbiva töövedeliku (gaasi) algtemperatuuri T 1. See temperatuur auruturbiinides või masinates saadakse auruga aurukatlas. Sisepõlemismootorites ja gaasiturbiinides tekib temperatuuri tõus kütuse põletamisel mootori enda sees. Temperatuur T 1 küttekeha temperatuur."
Külmiku roll. Töö tegemisel kaotab gaas energiat ja paratamatult jahtub teatud temperatuurini. T 2, mis on tavaliselt veidi kõrgem ümbritseva õhu temperatuurist. Nad kutsuvad teda külmiku temperatuur... Külmkapp on atmosfäär või spetsiaalsed seadmed jäätmeauru jahutamiseks ja kondenseerimiseks - kondensaatorid... Viimasel juhul võib külmiku temperatuur olla veidi madalam kui atmosfääri temperatuur.
Seega ei saa töövedelik mootoris paisumise ajal kogu oma sisemist energiat töö tegemiseks pühendada. Osa soojusest kandub paratamatult koos sisepõlemismootorite ja gaasiturbiinide heitauru või heitgaasidega külmkappi (atmosfääri). See osa sisemisest energiast läheb kaotsi.
Soojusmasin teeb tööd tänu töövedeliku sisemisele energiale. Veelgi enam, selles protsessis kandub soojus kuumematelt kehadelt (küttekeha) külmematesse (külmik).
Soojusmasina skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 13.11.
Mootori töökeha saab küttekehast kütuse põlemisel soojushulga 1. küsimus tööd tegemas A´ ja kannab soojushulga üle külmkappi 2. küsimus .
Soojusmasina jõudlustegur (COP). Gaasi siseenergia täieliku muundamise võimatus soojusmasinate tööks on tingitud looduses toimuvate protsesside pöördumatusest. Kui külmikust saaks soojust spontaanselt kerisesse tagasi pöörduda, siis sisemise energia saaks suvalise soojusmasina abil täielikult kasulikuks tööks muuta.
Vastavalt energia jäävuse seadusele on mootori töö võrdne:

kus 1. küsimus- küttekehast saadud soojushulk ja 2. küsimus- külmikusse antud soojushulk.
Soojusmasina jõudlustegur (COP). kutsu töösse suhtumist A´ mootori poolt toodetud kütteseadmest saadud soojushulgale:

Kuna kõik mootorid kannavad osa soojust külmikusse, siis η<1.
Soojusmasina kasutegur on võrdeline küttekeha ja külmiku temperatuuride erinevusega. Kell T 1 - T 2= 0 mootor ei saa töötada.
Soojusmasinate efektiivsuse maksimaalne väärtus. Termodünaamika seadused võimaldavad arvutada kütteseadmega töötava soojusmasina maksimaalse võimaliku kasuteguri temperatuuril T 1 ja külmkapp temperatuuriga T 2... Esimest korda tegi seda prantsuse insener ja teadlane Sadi Carnot (1796-1832) oma töös "Mõtisklused tule liikumapaneva jõu ja masinate kohta, mis on võimelised seda jõudu arendama" (1824).
Carnot mõtles välja ideaalse soojusmasina, mille töövedelikuks oli ideaalne gaas. Carnot’ ideaalne soojusmasin töötab tsüklis, mis koosneb kahest isotermist ja kahest adiabaadist. Esiteks viiakse gaasiga anum kontakti küttekehaga, gaas paisub isotermiliselt, tehes positiivset tööd, temperatuuril T 1, samal ajal kui ta saab soojuse koguse 1. küsimus.
Seejärel anum isoleeritakse, gaas jätkab adiabaatilist paisumist, samal ajal kui selle temperatuur langeb külmiku temperatuurini T 2... Pärast seda viiakse gaas kokku külmikuga, isotermilise kokkusurumisega annab see külmikule soojushulga 2. küsimus mahuni kahaneb V 4 ... Seejärel isoleeritakse anum uuesti, gaas surutakse adiabaatiliselt kokku mahuni V 1 ja tagastati esialgses seisukorras.
Carnot sai selle masina efektiivsuse kohta järgmise avaldise:

Ootuspäraselt on Carnot masina efektiivsus otseselt võrdeline küttekeha ja külmiku absoluutsete temperatuuride erinevusega.
Selle valemi peamine tähendus on see, et mis tahes tõeline soojusmootor töötab koos temperatuuriga kütteseadmega T 1, ja külmkapp temperatuuriga T 2, ei saa omada efektiivsust, mis ületaks ideaalse soojusmasina efektiivsust.

Valem (13.19) annab soojusmasinate kasuteguri maksimaalse väärtuse teoreetilise piiri. See näitab, et mida kõrgem on küttekeha ja madalam külmiku temperatuur, seda tõhusam on soojusmasin. Ainult külmiku temperatuuril, mis on võrdne absoluutse nulliga, η =1.
Kuid külmiku temperatuur ei saa praktiliselt olla madalam kui ümbritseva õhu temperatuur. Saate tõsta küttekeha temperatuuri. Kuid mis tahes materjalil (tahkel) on piiratud kuumakindlus või kuumakindlus. Kuumutamisel kaotab see järk-järgult oma elastsed omadused ja piisavalt kõrgel temperatuuril sulab.
Nüüd on inseneride peamised jõupingutused suunatud mootorite efektiivsuse tõstmisele, vähendades nende osade hõõrdumist, kütusekadusid selle mittetäieliku põlemise tõttu jne. Reaalsed võimalused efektiivsuse tõstmiseks on siin siiski suured. Seega on auruturbiini auru alg- ja lõpptemperatuurid ligikaudu järgmised: T 1≈800 K ja T 2≈300 K. Nendel temperatuuridel on efektiivsuse maksimaalne väärtus: