Eficiența maximă a motoarelor termice (teorema lui Carnot). Eficiența motorului termic. Eficiența unui motor termic - formulă de definiție Eficiența motoarelor termice pe scurt

Un motor termic (mașină) este un dispozitiv care transformă energia internă a combustibilului în lucru mecanic, schimbând căldură cu corpurile din jur. Majoritatea motoarelor moderne de automobile, avioane, marine și rachete sunt proiectate pe principiile unui motor termic. Munca se realizează prin modificarea volumului substanței de lucru, iar pentru a caracteriza eficiența oricărui tip de motor se folosește o valoare, care se numește coeficient de performanță (eficiență).

Cum funcționează un motor termic

Din punctul de vedere al termodinamicii (o ramură a fizicii care studiază legile transformărilor reciproce ale energiei interne și mecanice și transferul de energie de la un corp la altul), orice motor termic este format dintr-un încălzitor, un frigider și un fluid de lucru. .

Orez. 1. Schema bloc a funcționării motorului termic:

Prima mențiune a prototipului de motor termic se referă la turbina cu abur, care a fost inventată în Roma antică (secolul II î.Hr.). Adevărat, invenția nu și-a găsit aplicație largă la acel moment din cauza absenței la acel moment a multor părți auxiliare. De exemplu, la acel moment un astfel de element cheie pentru funcționarea oricărui mecanism ca rulment nu fusese încă inventat.

Schema generală de funcționare a oricărui motor termic arată astfel:

• Încălzitorul are o temperatură T 1 suficient de mare pentru a transfera o cantitate mare de căldură Q 1. La majoritatea motoarelor termice, încălzirea se obține prin arderea unui amestec de combustibil (combustibil-oxigen);
• Lichidul de lucru (abur sau gaz) al motorului face o muncă utilă A, de exemplu, deplasarea unui piston sau rotirea unei turbine;
• Frigiderul absoarbe o parte din energia din fluidul de lucru. Temperatura frigiderului T 2< Т 1 . То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q 1 .

Motorul termic (motorul) trebuie să funcționeze continuu, astfel încât fluidul de lucru trebuie să revină la starea inițială, astfel încât temperatura sa să devină egală cu T 1. Pentru continuitatea procesului, funcționarea mașinii trebuie să se producă ciclic, repetându-se periodic. Pentru a crea un mecanism ciclic - pentru a readuce fluidul de lucru (gazul) la starea sa originală - este nevoie de un frigider pentru a răci gazul în timpul procesului de compresie. Frigiderul poate fi de atmosferă (pentru motoarele cu ardere internă) sau apă rece (pentru turbinele cu abur).

Care este randamentul unui motor termic

Pentru a determina eficiența motoarelor termice, inginerul mecanic francez Sadi Carnot în 1824. a introdus conceptul de eficiență a unui motor termic. Litera greacă η este folosită pentru a desemna eficiența. Valoarea lui η se calculează folosind formula pentru eficiența unui motor termic:

$$ η = (A \ peste Q1) $$

Deoarece $ A = Q1 - Q2 $, atunci

$ η = (1 - Q2 \ peste Q1) $

Deoarece în toate motoarele o parte din căldură este transferată la frigider, aceasta este întotdeauna η< 1 (меньше 100 процентов).

Eficiența maximă posibilă a unui motor termic ideal

Ca motor termic ideal, Sadi Carnot a propus o mașină cu un gaz ideal ca fluid de lucru. Modelul ideal Carnot funcționează pe un ciclu (ciclul Carnot) format din două izoterme și două adiabate.

Orez. 2. Ciclul Carnot :.

Să reamintim:

• Proces adiabatic Este un proces termodinamic fără schimb de căldură cu mediul (Q = 0);
• Proces izotermic Este un proces termodinamic care are loc la o temperatură constantă. Deoarece energia internă a unui gaz ideal depinde doar de temperatură, cantitatea de căldură transferată gazului Q merge în întregime la lucru A (Q = A) .

Sadi Carnot a demonstrat că eficiența maximă posibilă care poate fi atinsă de un motor termic ideal este determinată folosind următoarea formulă:

$$ ηmax = 1- (T2 \ peste T1) $$

Formula lui Carnot vă permite să calculați eficiența maximă posibilă a unui motor termic. Cu cât diferența dintre temperaturile încălzitorului și frigiderului este mai mare, cu atât eficiența este mai mare.

Care sunt randamentul real al diferitelor tipuri de motoare

Din exemplele de mai sus, se poate observa că cele mai mari valori de eficiență (40-50%) au motoarele cu ardere internă (în versiunea diesel) și motoarele cu reacție pe combustibil lichid.

Orez. 3. Eficiența motoarelor termice reale :.

Ce am învățat?

Deci, am aflat care este randamentul motorului. Eficiența oricărui motor termic este întotdeauna mai mică de 100%. Cu cât diferența de temperatură dintre încălzitorul T 1 și frigiderul T 2 este mai mare, cu atât eficiența este mai mare.

Testează după subiect

Evaluarea raportului

Rata medie: 4.2. Evaluări totale primite: 293.

Și formule utile.

Sarcini de fizică pentru eficiența motoarelor termice

Sarcina de a calcula randamentul motorului termic nr. 1

Condiție

Apa cu o greutate de 175 g este încălzită într-o lampă cu alcool. În timp ce apa s-a încălzit de la t1 = 15 la t2 = 75 grade Celsius, masa lămpii cu spirt a scăzut de la 163 la 157 g. Calculați eficiența instalației.

Soluţie

Eficiența poate fi calculată ca raportul dintre munca utilă și cantitatea totală de căldură eliberată de lampa cu spirt:

Munca utilă în acest caz este echivalentul cantității de căldură care a fost folosită exclusiv pentru încălzire. Poate fi calculat folosind formula binecunoscută:

Calculăm cantitatea totală de căldură, cunoscând masa alcoolului ars și căldura sa specifică de ardere.

Înlocuiți valorile și calculați:

Răspuns: 27%

Sarcina de a calcula randamentul motorului termic nr. 2

Condiție

Vechiul motor a lucrat 220,8 MJ, în timp ce consuma 16 kilograme de benzină. Calculați randamentul motorului.

Soluţie

Să aflăm cantitatea totală de căldură generată de motor:

Sau, înmulțind cu 100, obținem valoarea eficienței ca procent:

Răspuns: 30%.

Sarcina de a calcula randamentul motorului termic nr. 3

Condiție

Motorul termic funcționează conform ciclului Carnot, în timp ce 80% din căldura primită de la încălzitor este transferată la frigider. Într-un ciclu, fluidul de lucru primește 6,3 J de căldură de la încălzitor. Găsiți eficiența muncii și a ciclului.

Soluţie

Eficiența unui motor termic ideal:

După condiție:

Să calculăm mai întâi munca și apoi eficiența:

Răspuns: douăzeci%; 1,26 J.

Sarcina de a calcula randamentul motorului termic nr. 4

Condiție

Diagrama prezintă un ciclu de motor diesel cu adiabații 1–2 și 3–4, izobarele 2–3 și izocorele 4–1. Temperaturile gazelor la punctele 1, 2, 3, 4 sunt egale cu T1, T2, T3, respectiv T4. Găsiți eficiența ciclului.

Soluţie

Să analizăm ciclul, iar eficiența va fi calculată prin cantitatea de căldură furnizată și îndepărtată. Căldura nu este nici furnizată, nici îndepărtată pe adiabate. Pe izobara 2 - 3, căldura este furnizată, volumul crește și, în consecință, temperatura crește. La izocorul 4 - 1, căldura este îndepărtată, iar presiunea și temperatura scad.

De asemenea:

Obtinem rezultatul:

Răspuns: Vezi deasupra.

Sarcina de a calcula randamentul motorului termic nr. 5

Condiție

Un motor termic care funcționează conform ciclului Carnot efectuează lucru A = 2,94 kJ într-un ciclu și eliberează cantitatea de căldură Q2 = 13,4 kJ într-un ciclu către răcitor. Găsiți eficiența ciclului.

Soluţie

Să notăm formula pentru eficiență:

Răspuns: 18%

Întrebări despre motoarele termice

Intrebarea 1. Ce este un motor termic?

Răspuns. Un motor termic este o mașină care funcționează folosind energia furnizată în timpul transferului de căldură. Principalele părți ale unui motor termic: încălzitor, frigider și fluid de lucru.

Intrebarea 2. Dați exemple de motoare termice.

Răspuns. Primele motoare termice care s-au răspândit au fost mașinile cu abur. Exemple de motor termic modern includ:

• motor rachetă;
• motor de avion;
• turbina de gaz.

Întrebarea 3. Poate fi randamentul unui motor egal cu unitatea?

Răspuns. Nu. Eficiența este întotdeauna mai mică de unu (sau mai mică de 100%). Existența unui motor cu randament egal cu unitatea contrazice prima lege a termodinamicii.

Eficiența motoarelor reale rareori depășește 30%.

Întrebarea 4. Ce este eficienta?

Răspuns. Eficiența (coeficientul de performanță) este raportul dintre munca efectuată de motor și cantitatea de căldură primită de la încălzitor.

Întrebarea 5. Care este căldura specifică de ardere a combustibilului?

Răspuns. Căldura specifică de ardere q- o mărime fizică care arată câtă căldură se eliberează în timpul arderii combustibilului cu masa de 1 kg. La rezolvarea problemelor, eficiența poate fi determinată de puterea motorului N și de cantitatea de combustibil ars pe unitatea de timp.

Sarcini și întrebări pentru ciclul Carnot

Atingând subiectul motoarelor termice, este imposibil să lași deoparte ciclul Carnot - poate cel mai faimos ciclu al motorului termic din fizică. Iată câteva probleme și întrebări suplimentare pentru ciclul Carnot cu o soluție.

Ciclul Carnot (sau procesul) este un ciclu circular ideal format din două adiabate și două izoterme. Este numit astfel în onoarea inginerului francez Sadi Carnot, care a descris acest ciclu în lucrarea sa științifică „Despre forța motrice a focului și a mașinilor capabile să dezvolte această forță” (1894).

Problema ciclului Carnot #1

Condiție

Un motor termic ideal care funcționează conform ciclului Carnot efectuează lucru A = 73,5 kJ într-un ciclu. Temperatura încălzitorului t1 = 100 ° C, temperatura frigiderului t2 = 0 ° C. Găsiți eficiența ciclului, cantitatea de căldură primită de mașină într-un ciclu de la încălzitor și cantitatea de căldură degajată într-un ciclu către frigider.

Soluţie

Să calculăm eficiența ciclului:

Pe de altă parte, pentru a afla cantitatea de căldură primită de mașină, folosim raportul:

Cantitatea de căldură dată frigiderului va fi egală cu diferența dintre cantitatea totală de căldură și munca utilă:

Răspuns: 0,36; 204,1 kJ; 130,6 kJ.

Problema ciclului Carnot # 2

Condiție

Un motor termic ideal care funcționează conform ciclului Carnot efectuează lucru A = 2,94 kJ într-un ciclu și eliberează cantitatea de căldură Q2 = 13,4 kJ într-un ciclu către frigider. Găsiți eficiența ciclului.

Soluţie

Formula pentru eficiența ciclului Carnot:

Aici A este lucrarea perfectă, iar Q1 este cantitatea de căldură necesară pentru a o face. Cantitatea de căldură pe care o mașină ideală o dă frigiderului este egală cu diferența dintre aceste două valori. Știind acest lucru, vom găsi:

Răspuns: 17%.

Problema ciclului Carnot # 3

Condiție

Desenați un ciclu Karnot într-o diagramă și descrieți-l

Soluţie

Ciclul Karnot din diagrama PV arată astfel:

• 1-2. Expansiune izotermă, fluidul de lucru primește cantitatea de căldură q1 de la încălzitor;
• 2-3. Expansiune adiabatică, fără aport de căldură;
• 3-4. Compresie izotermă, în timpul căreia căldura este transferată la frigider;
• 4-1. Compresie adiabatică.

Răspuns: Vezi deasupra.

Întrebare pentru ciclul Carnot #1

Prezentați prima teoremă a lui Carnot

Răspuns. Prima teoremă a lui Carnot afirmă: randamentul unui motor termic care funcționează conform ciclului Carnot depinde doar de temperaturile încălzitorului și frigiderului, dar nu depinde de dispozitivul mașinii, nici de tipul sau proprietățile fluidului său de lucru. .

Întrebare pentru ciclul Carnot #2

Eficiența în ciclul Carnot poate fi de 100%?

Răspuns. Nu. Eficiența ciclului Carnot va fi egală cu 100% doar dacă temperatura frigiderului este egală cu zero absolut, ceea ce este imposibil.

Dacă mai aveți întrebări despre motoarele termice și ciclul Carnot, nu ezitați să le întrebați în comentarii. Și dacă aveți nevoie de ajutor pentru rezolvarea problemelor sau a altor exemple și sarcini, vă rugăm să contactați

Munca efectuată de motor este egală cu:

Pentru prima dată acest proces a fost luat în considerare de inginerul și omul de știință francez N. LS Carnot în 1824 în cartea „Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această forță”.

Scopul cercetării lui Carnot a fost acela de a afla motivele imperfecțiunii motoarelor termice de atunci (aveau o eficiență ≤ 5%) și de a căuta modalități de îmbunătățire a acestora.

Ciclul Carnot este cel mai eficient posibil. Eficiența sa este maximă.

Figura prezintă procesele termodinamice ale ciclului. În procesul de dilatare izotermă (1-2) la o temperatură T 1 , munca se realizează prin modificarea energiei interne a încălzitorului, adică prin furnizarea cantității de căldură gazului Q:

A 12 = Q 1 ,

Răcirea gazului înainte de comprimare (3-4) are loc în timpul expansiunii adiabatice (2-3). Schimbarea energiei interne ΔU 23 în procesul adiabatic ( Q = 0) este complet transformată în lucru mecanic:

A 23 = -ΔU 23 ,

Temperatura gazului ca urmare a expansiunii adiabatice (2-3) scade la temperatura frigiderului T 2 < T 1 ... În procesul (3-4), gazul este comprimat izotermic, transferând cantitatea de căldură la frigider Î 2:

A 34 = Q 2,

Ciclul se încheie cu procesul de compresie adiabatică (4-1), în care gazul este încălzit la o temperatură T 1.

Valoarea maximă a eficienței motoarelor termice care funcționează pe gaz ideal, conform ciclului Carnot:

.

Esența formulei este exprimată în dovedit CU... Teorema lui Carnot conform căreia randamentul oricărui motor termic nu poate depăși eficiența ciclului Carnot efectuat la aceeași temperatură a încălzitorului și a frigiderului.

Eficiența motorului termic. Conform legii conservării energiei, munca efectuată de motor este egală cu:

unde este căldura primită de la încălzitor, este căldura dată frigiderului.

Eficiența unui motor termic este raportul dintre munca efectuată de motor și cantitatea de căldură primită de la încălzitor:

Deoarece la toate motoarele o anumită cantitate de căldură este transferată la frigider, în toate cazurile

Valoarea maximă a eficienței motoarelor termice. Inginerul și omul de știință francez Sadi Carnot (1796 1832) în lucrarea sa „Reflecție asupra forței motrice a focului” (1824) și-a stabilit un scop: să afle în ce condiții funcționarea unui motor termic va fi cea mai eficientă, adică in ce conditii motorul va avea randamentul maxim.

Carnot a creat un motor termic ideal cu un gaz ideal ca fluid de lucru. El a calculat eficiența acestei mașini care funcționează cu un încălzitor de temperatură și un frigider cu temperatură

Sensul principal al acestei formule este, după cum a demonstrat Carnot, bazându-se pe a doua lege a termodinamicii, că orice motor termic real care funcționează cu un încălzitor de temperatură și un frigider cu temperatură nu poate avea o eficiență care să depășească eficiența unui motor termic ideal.

Formula (4.18) dă limita teoretică pentru valoarea maximă a randamentului motoarelor termice. Arată că cu cât temperatura încălzitorului este mai mare și temperatura frigiderului este mai scăzută, cu atât motorul termic este mai eficient. Doar la o temperatură a frigiderului egală cu zero absolut,

Dar temperatura frigiderului practic nu poate fi mult mai mică decât temperatura ambiantă. Puteți crește temperatura încălzitorului. Cu toate acestea, orice material (solid) are rezistență limitată la căldură sau rezistență la căldură. Când este încălzită, își pierde treptat proprietățile elastice, iar la o temperatură suficient de ridicată se topește.

Acum, principalele eforturi ale inginerilor vizează creșterea eficienței motoarelor prin reducerea frecării pieselor lor, a pierderilor de combustibil din cauza arderii sale incomplete etc. Posibilitățile reale de creștere a eficienței sunt încă mari aici. Deci, pentru o turbină cu abur, temperaturile inițiale și finale ale aburului sunt aproximativ după cum urmează: La aceste temperaturi, randamentul maxim este:

Valoarea reală a eficienței datorate diferitelor tipuri de pierderi de energie este egală cu:

Creșterea eficienței motoarelor termice, apropierea acesteia de maximum posibil este cea mai importantă problemă tehnică.

Motoare termice și conservarea naturii. Utilizarea pe scară largă a motoarelor termice pentru a obține energie convenabilă pentru utilizare în cea mai mare măsură, în comparație cu

toate celelalte tipuri de procese de producție sunt asociate cu impactul asupra mediului.

Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, producerea de energie electrică și mecanică, în principiu, nu poate fi realizată fără îndepărtarea unor cantități semnificative de căldură în mediu. Acest lucru nu poate decât să conducă la o creștere treptată a temperaturii medii pe Pământ. Acum consumul de energie este de aproximativ 1010 kW. Când această putere ajunge, temperatura medie va crește considerabil (cu aproximativ un grad). O creștere suplimentară a temperaturii ar putea amenința topirea ghețarilor și o creștere catastrofală a nivelului mării.

Dar acest lucru nu epuizează consecințele negative ale utilizării motoarelor termice. Cuptoarele centralelor termice, motoarele cu ardere internă ale mașinilor etc., emit în mod continuu substanțe nocive pentru plante, animale și oameni în atmosferă: compuși ai sulfului (în timpul arderii cărbunelui), oxizi de azot, hidrocarburi, monoxid de carbon (CO), etc. Pericol deosebit în acest sens, sunt reprezentate mașini, al căror număr crește alarmant, iar purificarea gazelor de eșapament este dificilă. La centralele nucleare se pune problema eliminării deșeurilor radioactive periculoase.

În plus, utilizarea turbinelor cu abur în centralele electrice necesită suprafețe mari pentru iazuri pentru răcirea aburului evacuat.Odată cu creșterea capacității centralelor electrice, cererea de apă crește brusc. În 1980, la noi, în aceste scopuri, era nevoie de apă, adică de aproximativ 35% din aprovizionarea cu apă pentru toate sectoarele economiei.

Toate acestea ridică o serie de probleme serioase pentru societate. Alături de cea mai importantă sarcină de creștere a eficienței motoarelor termice, este necesar să se efectueze o serie de măsuri pentru protejarea mediului. Este necesară creșterea eficienței structurilor care împiedică emisia de substanțe nocive în atmosferă; pentru a realiza arderea mai completă a combustibilului în motoarele de automobile. Deja acum, vehiculele cu un conținut ridicat de CO în gazele de eșapament nu au voie să funcționeze. Se discută posibilitatea de a crea vehicule electrice care pot concura cu vehiculele convenționale și posibilitatea de a utiliza combustibil fără substanțe nocive în gazele de eșapament, de exemplu, în motoarele care funcționează cu un amestec de hidrogen cu oxigen.

Pentru a economisi spațiu și resurse de apă, este indicat să construiți complexe întregi de centrale electrice, în primul rând nucleare, cu ciclu închis de alimentare cu apă.

Un alt domeniu al eforturilor depuse este creșterea eficienței utilizării energiei, lupta pentru salvarea acesteia.

Soluția la problemele de mai sus este vitală pentru umanitate. Și aceste probleme cu succes maxim pot

să se rezolve într-o societate socialistă cu o dezvoltare economică planificată la scară națională. Dar organizarea protecției mediului necesită un efort global.

1. Ce procese se numesc ireversibile? 2. Numiți cele mai tipice procese ireversibile. 3. Dați exemple de procese ireversibile nemenționate în text. 4. Formulați a doua lege a termodinamicii. 5. Dacă râurile ar curge înapoi, ar însemna această încălcare a legii conservării energiei? 6. Ce dispozitiv se numește motor termic? 7. Care este rolul încălzitorului, frigiderului și mediului de lucru al unui motor termic? 8. De ce este imposibil să folosim energia internă a oceanului ca sursă de energie în motoarele termice? 9. Ce se numește randamentul unui motor termic?

10. Care este valoarea maximă posibilă a randamentului motorului termic?

>> Fizica: Principiul de funcționare a motoarelor termice. Coeficientul de performanță (COP) al motoarelor termice

Rezervele de energie internă din scoarța terestră și oceane pot fi considerate practic nelimitate. Dar pentru rezolvarea problemelor practice, nu este încă suficient să ai rezerve de energie. De asemenea, este necesar să poți folosi energia pentru a pune în mișcare mașinile-unelte în fabrici și uzine, mijloace de transport, tractoare și alte mașini, pentru a roti rotoarele generatoarelor de curent electric etc. Omenirea are nevoie de motoare - dispozitive capabile să facă muncă. Majoritatea motoarelor de pe Pământ sunt motoare termice... Motoarele termice sunt dispozitive care convertesc energia internă a unui combustibil în energie mecanică.
Principii de funcționare a motoarelor termice. Pentru ca motorul să funcționeze, este necesară o diferență de presiune pe ambele părți ale pistonului motorului sau ale palelor turbinei. La toate motoarele termice, această diferență de presiune se realizează prin creșterea temperaturii fluidului de lucru (gaz) cu sute sau mii de grade în comparație cu temperatura ambiantă. Această creștere a temperaturii are loc atunci când combustibilul este ars.
Una dintre părțile principale ale motorului este un vas umplut cu gaz cu un piston mobil. Fluidul de lucru pentru toate motoarele termice este gazul, care efectuează lucrări în timpul expansiunii. Să notăm temperatura inițială a fluidului de lucru (gaz) prin T 1. Această temperatură în turbinele cu abur sau în mașini este dobândită de abur într-un cazan cu abur. În motoarele cu ardere internă și turbinele cu gaz, o creștere a temperaturii are loc atunci când combustibilul este ars în interiorul motorului însuși. Temperatura T 1 temperatura încălzitorului.”
Rolul frigiderului. Pe măsură ce se lucrează, gazul pierde energie și inevitabil se răcește la o anumită temperatură. T 2, care este de obicei puțin mai mare decât temperatura ambiantă. Ei o sună temperatura frigiderului... Un frigider este o atmosferă sau dispozitive speciale pentru răcirea și condensarea aburului rezidual - condensatoare... În acest din urmă caz, temperatura frigiderului poate fi puțin mai mică decât temperatura atmosferei.
Astfel, în motor, fluidul de lucru în timpul expansiunii nu poate dedica toată energia sa internă executării muncii. O parte din căldură este transferată în mod inevitabil la frigider (atmosferă) împreună cu aburul de evacuare sau gazele de evacuare de la motoarele cu ardere internă și turbinele cu gaz. Această parte a energiei interne se pierde.
Motorul termic efectuează lucru datorită energiei interne a fluidului de lucru. Mai mult, în acest proces, căldura este transferată de la corpurile mai fierbinți (încălzitor) la cele mai reci (frigider).
O diagramă schematică a unui motor termic este prezentată în Figura 13.11.
Corpul de lucru al motorului primește de la încălzitor în timpul arderii combustibilului cantitatea de căldură Î 1 lucrând A´ și transferă cantitatea de căldură la frigider Î 2 .
Coeficientul de performanță (COP) al unui motor termic Imposibilitatea conversiei complete a energiei interne a gazului în funcționarea motoarelor termice se datorează ireversibilității proceselor din natură. Dacă căldura s-ar putea întoarce spontan de la frigider la încălzitor, atunci energia internă ar putea fi complet convertită în muncă utilă folosind orice motor termic.
Conform legii conservării energiei, munca efectuată de motor este egală cu:

Unde Î 1- cantitatea de căldură primită de la încălzitor și Î 2- cantitatea de căldură dată frigiderului.
Coeficientul de performanță (COP) al unui motor termic apelează atitudinea de muncă A produsă de motor la cantitatea de căldură primită de la încălzitor:

Deoarece toate motoarele transferă o parte de căldură la frigider, η<1.
Eficiența unui motor termic este proporțională cu diferența de temperatură dintre încălzitor și frigider. La T1-T2= 0 motorul nu poate funcționa.
Valoarea maximă a eficienței motoarelor termice. Legile termodinamicii fac posibilă calcularea eficienței maxime posibile a unui motor termic care funcționează cu un încălzitor la o temperatură T 1, și un frigider cu o temperatură T 2... Pentru prima dată acest lucru a fost făcut de inginerul și savantul francez Sadi Carnot (1796-1832) în lucrarea sa „Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această forță” (1824).
Carnot a creat un motor termic ideal cu un gaz ideal ca fluid de lucru. Motorul termic ideal al lui Carnot funcționează într-un ciclu format din două izoterme și două adiabate. Mai întâi, un vas cu gaz este adus în contact cu un încălzitor, gazul se extinde izotermic, făcând o muncă pozitivă, la o temperatură T 1,în timp ce el primește cantitatea de căldură Î 1.
Apoi vasul este izolat, gazul continuă să se extindă adiabatic, în timp ce temperatura acestuia scade la temperatura frigiderului T 2... După aceea, gazul este adus în contact cu frigiderul, cu compresie izotermă, dă frigiderului cantitatea de căldură Î 2 micșorându-se la volum V 4 ... Apoi vasul este izolat termic din nou, gazul este comprimat adiabatic la un volum V 1 si returnat in stare originala.
Carnot a obținut următoarea expresie pentru eficiența acestei mașini:

După cum era de așteptat, eficiența mașinii Carnot este direct proporțională cu diferența de temperaturi absolute dintre încălzitor și frigider.
Sensul principal al acestei formule este că orice motor termic real care funcționează cu un încălzitor cu o temperatură T 1, si frigider cu temperatura T 2, nu poate avea o eficiență care să depășească randamentul unui motor termic ideal.

Formula (13.19) dă limita teoretică pentru valoarea maximă a randamentului motoarelor termice. Arată că cu cât temperatura încălzitorului este mai mare și temperatura frigiderului este mai scăzută, cu atât motorul termic este mai eficient. Doar la o temperatură a frigiderului egală cu zero absolut, η =1.
Dar temperatura frigiderului practic nu poate fi mai mică decât temperatura ambiantă. Puteți crește temperatura încălzitorului. Cu toate acestea, orice material (solid) are rezistență limitată la căldură sau rezistență la căldură. Când este încălzită, își pierde treptat proprietățile elastice, iar la o temperatură suficient de ridicată se topește.
Acum, principalele eforturi ale inginerilor vizează creșterea eficienței motoarelor prin reducerea frecării pieselor lor, a pierderilor de combustibil din cauza arderii sale incomplete etc. Posibilitățile reale de creștere a eficienței sunt încă mari aici. Deci, pentru o turbină cu abur, temperaturile inițiale și finale ale aburului sunt aproximativ după cum urmează: T 1≈800 K și T 2≈300 K. La aceste temperaturi, valoarea maximă a randamentului este: