В соответствии с первым законом термодинамики теплота и работа эквивалентны друг другу, однако процессы их взаимного превращения неравнозначны. Опыт показывает, что механическая энергия может быть полностью превращена в теплоту, например, путем трения. Однако теплоту полностью превратить в механическую энергию в периодически повторяющемся процессе нельзя.
Это связано с существованием фундаментального закона природы, называемого вторым законом термодинамики.
В непрерывно действующем тепловом двигателе чередуются процессы расширения рабочего тела, сопровождающиеся совершением работы, и процессы сжатия, требующие затрат внешней работы. Таким образом, рабочее тело совершает круговой процесс (цикл). Полезная работа, полученная за 1 цикл, графически выражается площадью, ограниченной контуром цикла в координатах.
В координатах цикл также можно разбить на два участка. На первом участке, сопровождающемся ростом энтропии, рабочее тело получает теплоту от горячего источника с температурой . На втором участке, сопровождающемся уменьшением энтропии, рабочее тело отдает теплоту холодному источнику с температурой . Разность графически представляется площадью, ограниченной контуром цикла в координатах
Применяя первый закон термодинамики к циклу, получим:
. (4.1)
Так как функция состояния системы, то за цикл , поэтому:
. (4.2)
Отношение работы, производимой двигателем за цикл, к количеству теплоты, подведенной за этот цикл от горячего источника, называется термическим коэффициентом полезного действия (к.п.д.) цикла.
. (4.3)
Наиболее простым циклом является цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Для цикла Карно термический к.п.д. составляет:
. (4.4)
Термический к.п.д. любого цикла, отличного от цикла Карно, меньше, чем у цикла Карно, работающего в том же интервале температур.