В любой тепловой машине превращается в работу только часть полученной от теплоотдатчика теплоты. Теплота q2 не используется в машине и рассеивается в окружающем пространстве.

В обратном цикле над газом совершается работа А' = -А и от него отводится эквивалентное ей количество теплоты Q₂. В этом случае за счет работы внешних сил система отдает количество теплоты большее, чем она получает извне в ходе цикла:

Q₁ = Q₂ + A_цикла (16.4)

Тем самым обратный цикл позволяет за счет работы, совершаемой внешними силами, перевести некоторое количество теплоты от более нагретого тела к телу менее нагретому. Следствием этого является еще большее охлаждение холодного тела. Поэтому подобные циклы лежат в основе действия различных холодильных машин (рис. 16.3).

Коэффициентом полезного действия цикла  или термическим коэффициентом полезного действия называют отношение работы, получаемой за цикл, к работе, которую можно было бы получить, при превращении в нее всего количества теплоты, подводимого к системе.

(16.5)

В качестве примера найдем кпд теплового двигателя, в котором идеальный газ совершает прямой цикл. Для этого подставим в (16.5) выражение (16.3):

(16.6)

Величина Q₂ всегда достаточно велика, поэтому коэффициент полезного действия тепловой машины всегда значительно меньше единицы. Реальные тепловые машины имеют температуру теплоприемника порядка 100°С, т. е. 373° К, а температура теплоотдатчика в лучшем случае превышает температуру теплоприемника на 200-300°. Поэтому к. п. д. даже лучших тепловых машин не превышает 0,4-0,5 (для некоторых типов двигателей внутреннего сгорания), Такие машины, как паровоз, имеют к. п. д., равный 0,05-0,07.

Цикл Карно и его КПД.

Цикл Карно. Рассмотрим обратимый круговой процесс. Такой процесс был исследован в 1824 г. французским инженером С.Карно и поэтому получил название цикла Карно. Так как в процессе проведения цикла должен происходить теплообмен, то обратимо он будет протекать только изотермически. Переход с одной изотермы на другую обратимо может произойти только адиабатически. Поэтому цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов, чередующихся между собой (рис. 16.4). Предположим, что система, совершающая цикл - это идеальный газ. Пусть начальное состояние его определяется значениями параметров Р₁,V₁,T₁. Представим газу возможность изотермически расширяться до объема V₂. Вследствие этого давление газа уменьшится до значения P₂ и система перейдет из состояния 1 в состояние 2. В процессе изотермического расширения газ совершит работу:

(16.7)

При этом для поддержания температуры газа постоянной к нему должно быть подведено количество теплоты Q₁, эквивалентное совершенной газом работе. Дальнейшее расширение газа до объема V₃ происходит адиабатически. Давление газа уменьшается до P₃ и газ переходит из состояния 2 в состояние 3. При адиабатическом расширении температура газа понизится до некоторого значения Т₂, а совершаемая газом работа будет эквивалентна уменьшению его внутренней энергии:

(16.8)

Переход газа из состояния 3 в состояние 4 происходит за счет работы внешних сил, совершающих изотермическое сжатие газа от объема V₃ до объема V₄. Давление газа при этом возрастает до V₄. Чтобы в процессе изотермического сжатия температура газа не изменялась, от него необходимо отвести количество теплоты, эквивалентное совершенной работе:

(16.9)

Цикл завершается адиабатическим сжатием газа от объема V₃ до объема V₄ за счет работы внешних сил. Эта работа затрачивается на увеличение внутренней энергии газа: (16.10)

В результате цикла газ возвращается в первоначальное состояние и поэтому в итоге никакого изменения его внутренней энергии не происходит. Согласно первому закону термодинамики совершаемая газом за цикл работа равна:

А_цикла = А₁₂ + А₂₃ + А₃₄ + А₄₁ = Q₁ - Q₂ (16.11)