Фізично розвинена людина може за добу виконати роботу, що дорівнює близько 1 млн джоулів. Середньодобове споживання енергії одним жителем Землі є більшим у сотні разів. З усієї енергії, яку споживає людина, близько 90 % становить енергія палива. На обігрівання приміщень і готування їжі йде тільки незначна частина цієї енергії — переважно людина використовує енергію палива, перетворюючи її на механічну. Як це відбувається та за яких умов є можливим таке перетворення?
В зображеній системі, яка складається з газового пальника й чайника з кришкою та киплячою водою, за рахунок енергїі, що виділяється внаслідок згоряння палива, виконується механічна робота, при цьому частина енергії віддається довкіллю.
Якщо з кришкою чайника з’єднати якийсь механізм, дістанемо найпростішу модель теплового двигуна.
Тепловий двигун — це теплова машина, яка перетворює енергію палива на механічну роботу.
Будь-яка теплова машина складається з трьох основних частин: нагрівника, робочого тіла, холодильника.
У будь-якому тепловому двигуні лише частина енергії, що «прихована» в паливі, витрачається на виконання роботи, адже паливо згоряє не повністю. До того ж частина виділеної енергії передається довкіллю (втрачається). При цьому втрати енергії в теплових двигунах не обмежуються тепловими втратами. Частина енергії також витрачається на виконання роботи проти сил тертя частин і механізмів двигуна. Такі втрати енергії називають механічними. Очевидно: чим меншими є теплові й механічні втрати у двигуні, тим менше палива потрібно спалити, щоб отримати ту саму корисну роботу, і тим економічнішим є двигун.
Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна — це фізична величина, що характеризує економічність теплового двигуна й показує, яка частина всієї енергії, що «запасена» в паливі, перетворюється на корисну роботу.
Коефіцієнт корисної дії двигуна η обчислюють за формулою:
де Акop — корисна робота; Qповна — кількість теплоти, що може виділитися в процесі повного згоряння палива.
Найчастіше ККД подають у відсотках:
Корисна робота завжди менша від кількості теплоти, що виділяється в процесі повного згоряння палива, тому зрозуміло, що ККД теплового двигуна завжди є меншим від 100 %. Зазвичай ККД теплових двигунів становить 20-40 %.
