Принцип Карно
Будь-який інженер, який займається розробкою теплового двигуна, прагне розробити двигун з максимально можливим ККД. Ідеальний варіант, коли ККД=1, у разі вся, отримана двигуном, теплова енергія використовувалася на роботу, причому у холодильник нічого не надходить. Однак, у реальному житті здійснити подібне неможливо, оскільки в реальному двигуні деяка частина енергії витрачається на неминучі втрати в механізмах, що труться.
Якби інженерам вдалося винайти двигун, у якому не було б втрат, то система завжди поверталася б у початковий стан – такий процес називається оборотним. Усі реальні двигуни витрачають частину теплової енергії подолання тертя, тому процеси називаються незворотними.
Одним з перших, хто в 19 столітті зайнявся вивченням даної проблеми, був Санді Карно, який сформулював наступний принцип (принцип Карно):
жоден незворотний двигун не може володіти абсолютним ККД, як оборотний, при цьому всі оборотні двигуни, які працюють у проміжку між однаковими максимальними і однаковими мінімальними температурами, мають той самий ККД.
Якщо на практиці винайти оборотний двигун неможливо, то ніхто не заважає зобразити його “на папері”. Так і вчинив Карно, який сформулював свої принципи для ідеального двигуна (двигуна Карно). Двигун Карно отримує теплову енергію від нагрівача, який має постійну температуру нагрівача. Відпрацьована теплова енергія йде в холодильник із постійною температурою холодильника.
Оскільки температури нагрівача і холодильника постійні, відношення теплової енергії, що подається і відводиться, буде дорівнює відношенню їх температур (в Кельвінах):
Враховуючи третій початок термодинаміки, що свідчить, що температуру абсолютного нуля (Т=0К) досягти неможливо, можна сказати, що неможливо розробити тепловий двигун з ККД=1, оскільки завжди Tх>0.
ККД теплового двигуна буде тим більшим, чим вище температура нагрівача, і нижче температура холодильника.