Τι είναι η θερμική απόδοση;

Η θερμική απόδοση είναι ένα μέτρο της ενέργειας εξόδου διαιρούμενο με την ενέργεια εισόδου σε ένα σύστημα.Πρέπει να είναι μεταξύ 0% και 100%.Μια θερμική απόδοση 100% θα σήμαινε ότι όλη η ενέργεια που τίθεται σε ένα σύστημα βγαίνει, αν και σε διαφορετική μορφή.Οι κινητήρες θερμότητας και τα ψυγεία έχουν και τις δύο θερμικές αποτελεσματικότητες, αν και προσπαθούν να επιτύχουν αντίθετους στόχους.Οι θερμικές αποδόσεις πραγματικού κόσμου γενικά μειώνονται σημαντικά κάτω από το 100% λόγω διάφορων λόγων.

Σε έναν βενζινοκινητήρα, η ενέργεια εισόδου αποθηκεύεται στους χημικούς δεσμούς ενός καυσίμου υδρογονανθράκων.Ένα μόριο υδρογονανθράκων αποτελείται εξ ολοκλήρου από υδρογόνο και άνθρακα.Όταν αυτά τα μόρια συνδυάζονται με οξυγόνο, μπορούν να αντιδράσουν χημικά και να σχηματίσουν μονοξείδιο του άνθρακα και νερό.Στην ουσία, το μόριο υδρογονανθράκων χωρίζεται και συνδυάζεται με άτομα οξυγόνου.Το μέρος αυτής της αντίδρασης που είναι χρήσιμο για έναν κινητήρα, όμως, είναι η θερμότητα που απελευθερώνεται.Η θερμότητα που απελευθερώνεται από την καύση βενζίνης είναι η σχετική ενέργεια εισόδου σε θερμική απόδοση.

Η ενέργεια εξόδου στον υπολογισμό της θερμικής απόδοσης ενός κινητήρα δεν είναι θερμότητα, αλλά η μηχανική εργασία.Στη φυσική, η εργασία είναι η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται από μια δύναμη που ενεργεί σε απόσταση.Η ώθηση ενός κουτιού πάνω από το χαλί σε μια συγκεκριμένη απόσταση απαιτεί μια πεπερασμένη εργασία.Αυτό είναι ίσο με το προϊόν της απόστασης που κινήθηκε και η μέση δύναμη που ασκείται.Κατά τον ίδιο τρόπο, ένας βενζινοκινητήρας λειτουργεί όταν μετακινεί τους τροχούς ενός αυτοκινήτου.

Στην περίπτωση ψυγείου ή κλιματιστικού, η σχέση θερμικής εργασίας αντιστρέφεται.Το επιθυμητό αποτέλεσμα σε αυτή την κατάσταση είναι να απομακρυνθεί η θερμότητα από ένα σύστημα και να το απορρίψει στο εξωτερικό περιβάλλον.Επομένως, η διαθέσιμη είσοδος είναι η μηχανική εργασία, η οποία συχνά παρέχεται από έναν ηλεκτρικά τροφοδοτούμενο συμπιεστή.Ωστόσο, ο υπολογισμός της θερμικής απόδοσης απαιτεί εξακολουθεί να διαιρεί την ενέργεια εξόδου από την ενέργεια εισόδου.Η διαφορά από έναν βενζινοκινητήρα, φυσικά, είναι ότι η έξοδος είναι θερμότητα και η είσοδος είναι εργασία.

Ένας τυπικός κινητήρας αυτοκινήτων έχει θερμική απόδοση μικρότερη από 35%.Αυτός ο αριθμός φαίνεται χαμηλός για δύο σημαντικούς λόγους.Πρώτα απ 'όλα, υπάρχει ένα θεωρητικό ανώτατο όριο στη θερμική απόδοση κάθε θερμικού κινητήρα που έχει να κάνει με τη θερμοκρασία του συστήματος έναντι της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος.Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στη θερμοκρασία, τόσο υψηλότερη είναι η μέγιστη θερμική απόδοση που μπορεί να επιτύχει ο ιδανικός κινητήρας χωρίς τριβή.Αυτό ονομάζεται απόδοση Carnot.

Ο δεύτερος λόγος για τους κινητήρες αυτοκινήτων έχουν μια προφανώς χαμηλή απόδοση είναι ότι οι κινητήρες δεν μπορούν να γίνουν για να συμπεριφέρονται με ιδανικό τρόπο.Η τριβή μεταξύ των κινούμενων μερών τείνει συνεχώς να επιβραδύνει τον κινητήρα.Κάποια θερμότητα διαφεύγει από το θάλαμο καύσης και γίνεται άχρηστη στον κινητήρα.Το καύσιμο δεν καίγεται πάντοτε στην υψηλότερη θερμοκρασία που επιτεύχθηκε, μειώνοντας την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται.Για τους λόγους αυτούς, η θερμική απόδοση σε συσκευές πραγματικού κόσμου τείνει να είναι πολύ κάτω από το 100%.