Теорема Карно

Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников , наибольшим КПД обладают обратимые машины. При этом КПД обратимых машин, равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела, а определяются только температурами нагревателя и холодильника.

Для построения рабочего цикла использует обратимые процессы. Например, цикл Карно состоит из двух изотерм (1–2, 2-4), в которых теплота полностью превращается в работу, и двух адиабат (2-3, 4–1), в которых изменение внутренней энергии полностью превращаются в работу (рис. 19).

Рассмотрим изменение энтропии рабочего тела. Общее изменение энтропии в цикле:

Так как мы рассматриваем только обратимые процессы, общее изменение энтропии .

Последовательные термодинамические процессы в цикле Карно:

Процесс	Работа	Изменение энтропии	Наблюдается
Изотермическое расширение 1—2			тело принимает теплоту
Адиабатическое расширение 2—3 ;			охлаждение до
изотермическое сжатие 3-4			тело отдает теплоту
адиабатическое сжатие ;			восстановление начального состояния

Общее изменение энтропии в равновесном цикле: , поэтому: - максимальный КПД теплового двигателя.

Следствия:

1. КПД цикла Карно не зависит от рода рабочего тела.

2. КПД определяется только разницей температур нагревателя и холодильника.

3. КПД не может быть 100% даже у идеальной тепловой машины, так как при этом температура холодильника должна быть , что запрещено законами квантовой механики и третьим законом термодинамики.

4. Невозможно создать вечный двигатель второго рода, работающий в тепловом равновесии без перепада температур, т.е. при , так как в этом случае .

Тепловые двигатели повышают энтропию замкнутой системы.