ЕГЭОГЭ
Задание № 22 · ОГЭ

Тепловая машина

Принцип действия, участники процесса и энергетический баланс тепловой машины
6 мин чтенияСложность: Обновлено 27 сентября 2026

Тепловая машина — устройство, которое превращает часть внутренней энергии топлива или другого источника теплоты в механическую работу. Для этого рабочее тело получает энергию от нагревателя, совершает работу и передаёт неизбежную часть энергии холодильнику.

Что такое тепловая машина

Тепловая машина работает циклически: после последовательности процессов рабочее тело возвращается в исходное состояние. Поэтому его внутренняя энергия за полный цикл не изменяется, хотя в отдельных процессах она может увеличиваться или уменьшаться. Первый закон термодинамики позволяет связать полученную теплоту, работу и изменение внутренней энергии.

D
Определение

Тепловая машина — периодически действующее устройство, в котором рабочее тело получает количество теплоты \(Q_1\) от нагревателя, совершает полезную работу \(A\) и отдаёт количество теплоты \(Q_2\) холодильнику.

Основные части тепловой машины:

  • нагреватель — источник теплоты с более высокой температурой \(T_1\); он передаёт рабочему телу энергию \(Q_1\);
  • рабочее тело — газ или пар, который расширяется и сжимается, совершая работу; подробнее см. рабочее тело тепловой машины;
  • холодильник — тело с более низкой температурой \(T_2\), принимающее теплоту \(Q_2\).
\(Q_1\)
количество теплоты от нагревателя
Дж
\(Q_2\)
количество теплоты холодильнику
Дж
\(A\)
полезная работа
Дж
\(T_1, T_2\)
абсолютная температура
К
\(\eta\)
КПД
без единицы
НагревательРабочее телоХолодильникQ₁Q₂A
Схема передачи энергии в тепловой машине: нагреватель передаёт \(Q_1\), рабочее тело совершает работу \(A\), холодильник получает \(Q_2\).

Принцип действия и энергетический баланс

Сначала рабочее тело получает теплоту от нагревателя. Обычно газ расширяется, действует на поршень и совершает механическую работу. Затем рабочее тело сжимается или проходит другие процессы цикла, отдавая часть теплоты холодильнику. Без холодильника циклическая работа невозможна: всё полученное тепло нельзя полностью превратить в работу.

T
Энергетический баланс цикла

За полный цикл изменение внутренней энергии рабочего тела равно нулю. Поэтому теплота, полученная от нагревателя, расходуется на полезную работу и передачу энергии холодильнику.

\[Q_1=A+Q_2\]

Отсюда полезная работа равна разности полученной и отданной теплоты:

\[A=Q_1-Q_2\]

Эти соотношения описывают энергетический баланс тепловой машины. Количества теплоты \(Q_1\) и \(Q_2\) в формулах считают положительными как переданную энергию. Если в задаче теплота холодильника записана как работа газа или как изменение внутренней энергии, сначала нужно определить её физический смысл и знак.

Коэффициент полезного действия

КПД показывает, какая доля теплоты от нагревателя превращается в полезную работу. Он не имеет единицы измерения и обычно выражается в долях единицы или процентах.

\[\eta=\frac{A}{Q_1}=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}=1-\frac{Q_2}{Q_1}\]

КПД реальной машины всегда меньше единицы, или 100%, потому что \(Q_2>0\). Для заданных температур теоретический предел устанавливает цикл Карно, а подробное рассмотрение величины приведено на странице Коэффициент полезного действия тепловой машины.

T
Важное неравенство

Для тепловой машины \(0<\eta<1\). Следовательно, полезная работа меньше теплоты, полученной от нагревателя: \(A<Q_1\).

Проверь себя

Машина получила от нагревателя \(100\) Дж и отдала холодильнику \(60\) Дж. Чему равна полезная работа?

Разобранный пример

№
Найдём работу и КПД

За цикл нагреватель передал рабочему телу \(Q_1=2{,}0\ \text{кДж}\), а холодильник получил \(Q_2=1{,}5\ \text{кДж}\). Найти работу машины и её КПД.

1
Используем энергетический баланс полного цикла.
\(\displaystyle A=Q_1-Q_2\)
2
Подставим значения в одинаковых единицах.
\(\displaystyle A=2{,}0\ \text{кДж}-1{,}5\ \text{кДж}=0{,}5\ \text{кДж}=500\ \text{Дж}\)
3
КПД равен отношению полезной работы к теплоте нагревателя.
\(\displaystyle \eta=\frac{A}{Q_1}=\frac{0{,}5}{2{,}0}=0{,}25=25\%\)

Ответ: \(A=500\ \text{Дж}\), \(\eta=25\%\). Проверка: \(Q_1=A+Q_2=0{,}5+1{,}5=2{,}0\ \text{кДж}\).

Температуры и виды машин

Для идеализированной машины, работающей между нагревателем и холодильником, КПД зависит от температур в кельвинах. Наибольший возможный КПД при данных температурах имеет обратимый цикл Карно:

\[\eta_{\text{Карно}}=1-\frac{T_2}{T_1},\qquad T_1>T_2\]

Реальные двигатели имеют меньший КПД из-за трения, сопротивления движению, теплопотерь и необратимости процессов. В автомобильном двигателе рабочим телом служат продукты сгорания, а нагревателем — горячие газы после сгорания топлива. Устройство и потери реальной тепловой машины отличаются от идеальной схемы.

Тепловые машины бывают двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами, газовыми турбинами и другими устройствами. Важно отличать их от холодильной машины: холодильник потребляет работу и переносит теплоту от холодного тела к более тёплому, то есть действует в обратном направлении.

!
Частые ошибки

1. Путают \(Q_1\) и \(Q_2\): нагреватель отдаёт машине \(Q_1\), а холодильник получает \(Q_2\). 2. Записывают \(A=Q_1+Q_2\) вместо разности. 3. Используют температуру в градусах Цельсия в формуле Карно — нужны кельвины: \(T=t+273\). 4. Считают КПД в джоулях: КПД — безразмерная величина. 5. Забывают, что за цикл \(\Delta U=0\), хотя на отдельных участках цикла изменение внутренней энергии не равно нулю.

Алгоритм решения

Сначала выпишите, какую энергию получает нагреватель, рабочее тело и холодильник. Затем приведите все количества теплоты к одной единице, примените \(A=Q_1-Q_2\) и только после этого вычисляйте \(\eta=A/Q_1\). Если даны температуры, проверьте, не требуется ли формула Карно.

Проверка знаний

Q
Быстрый тест по теме

Quick-test

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · рабочее тело
Какое тело совершает механическую работу в тепловой машине?
Главное за минуту

Главное

  • Тепловая машина получает теплоту \(Q_1\) от нагревателя, передаёт \(Q_2\) холодильнику и совершает работу \(A\).
  • За полный цикл \(\Delta U=0\), поэтому \(Q_1=A+Q_2\) и \(A=Q_1-Q_2\).
  • КПД равен \(\eta=A/Q_1=1-Q_2/Q_1\) и всегда меньше 100%.
  • Рабочее тело необходимо для преобразования теплоты в механическую работу; холодильник отводит неизбежную часть энергии.
  • Для идеального цикла Карно \(\eta=1-T_2/T_1\), где температуры выражены в кельвинах.