Рассмотрим тепловую машину, кпд которой самый высокий, самая эффективная среди всех тепловых машин. Её называют машиной карно, или циклом карно. Теоретически кпд ее выше, чем у двс.

В машине Карно – цилиндр с поршнем. Источник энергии – бензин – для поддерживания Т₁ –теплового источника. Трение, потери на теплопроводность исключены.

Резервуар с жидкой Т₂ – например вода – с t=10⁰C и нагреватель вода с t=100⁰C. При изотермическом расширении и нагревании забирается тепло Q₁ (1-2). При адиабатическом расширении (2-3) – Q=0. ∆U=A температура падает до T₂ чтобы привести в первоначальное состояние, необходимо: изотермически сжать (3-4) при этом остатки внутренней энергии газа в цилиндре уйдут в холодильник. (В машине Карно цилиндр с поршнем, но без клапанов, так что во всех цилиндрах многократно используется одно и то же вещество).

И аддиабатически сжать до 1 (4-1). В холодильный резервуар →Q₂. Согласно Первому началу термодинамики потеря тепла за цикл Q₁-Q₂ должна перейти в работу, совершаемую газом в цилиндре по перемещению поршня:

A=Q₁-Q₂;

КПД – это относительное количество тепла, отобранного от нагревателя и переданного рабочему телу – газу:

;

Если известно Т₁ - нагревателя и Т₂ - холодильника, то можно получить:

;

Сравним машину Карно с ДВС. При горении бензина → Т₁ 2400К – а в окружающий воздух переходит тепло и нагревает воздух до Т₂ = 300К.

;

На самом же деле η_ДВС = 0,56 = 56%, что происходит из-за потерь на трение, утечку тепла, вследствие необратимости процессов до η_Р=30%.

Теорема Карно: КПД всех обратимых тепловых машин, имеющих один Т₁ и Т₂ одинаков и определяется, независимо от принципа работы.

η - любой реальной тепловой машины η<η_Ц.К.

Как мы увидели, большая часть полученной из топлива энергии возвращается холодильнику, т. е. в окружающую среду – нагрев окружающей среды – тепловое загрязнение. Так КПД электростанций вырабатывает энергию для обогрева – 30%. КПД атомных электростанций в тех же пределах из-за невозможности работать при высоких первоначальных температурах. Но опять же, надо учитывать, что это идеальный случай, без потерь.

– соответствует идеальным условиям;

Машину Карно можно заставить работать и в обратном направлении:

При этом Q₂, будет отбираться от холодильника, а Q₁ отдаваться нагревателю.

Q₁ и Q₂ – отрицательны. Тогда коэффициент преобразователя холодной машины:

;

На этом принципе работают холодильники, тепловые насосы.

Это отношение тепла, отобранного у охлаждающегося тела, к затраченной на это работе.

Так, в домашнем холодильнике, T₂ – резервуара холода (-23⁰C) 250⁰K. Горячий резервуар – воздух комнаты T₁ (37⁰С) 310⁰K (в окрестности теплообменника).

;

Т.е. на каждый Дж. электроэнергии приходится 4,2 Дж тепла, отнятого от холодильника.

Но опять надо учитывать, что это идеальный случай, без потерь, цикл Карно, и формула:

- соответствует идеальным условиям;