Wat is thermische efficiëntie?
Thermische efficiëntie is een maat voor de uitgangsenergie gedeeld door de ingangsenergie in een systeem.Het moet tussen 0% en 100% zijn.Een thermische efficiëntie van 100% zou betekenen dat alle energie die in een systeem wordt geplaatst, naar voren komt, zij het in een andere vorm.Warmte -motoren en koelkasten hebben beide bijbehorende thermische efficiëntie, hoewel ze proberen tegengestelde doelstellingen te bereiken.Real-world thermische efficiëntie daalt over het algemeen aanzienlijk onder 100% vanwege verschillende redenen.
In een benzinemotor wordt ingangsenergie bewaard in de chemische bindingen van een koolwaterstofbrandstof.Een koolwaterstofmolecuul bestaat volledig uit waterstof en koolstof.Wanneer deze moleculen worden gecombineerd met zuurstof, kunnen ze chemisch reageren en koolmonoxide en water vormen;In wezen wordt het koolwaterstofmolecuul opgesplitst en gecombineerd met zuurstofatomen.Het deel van deze reactie dat nuttig is voor een motor, is echter de hitte die wordt vrijgegeven.Warmte vrijgegeven uit benzineverbranding is de relevante input energie in thermische efficiëntie.
De uitgangsenergie in de berekening van de thermische efficiëntie van een motor is geen warmte, maar mechanisch werk.In de natuurkunde is werk de hoeveelheid energie die wordt overgedragen door een kracht die over een afstand werkt.Een doos op een bepaalde afstand duwen, vereist een eindige hoeveelheid werk;Dit is gelijk aan het product van de verplaatsing van de afstand en de gemiddelde kracht uitgeoefend.Op dezelfde manier werkt een benzinemotor wanneer hij de wielen van een auto beweegt.
In het geval van een koelkast of airconditioner wordt de warmte-werkrelatie omgekeerd.Het gewenste resultaat in deze situatie is om warmte uit een systeem te verwijderen en in de buitenomgeving te dumpen.De beschikbare input is daarom mechanisch werk, dat vaak wordt geleverd door een elektrisch aangedreven compressor.Het berekenen van de thermische efficiëntie vereist echter nog steeds het delen van de uitgangsenergie door de ingangsenergie.Het verschil met een benzinemotor is natuurlijk dat de output warmte is en de ingang is werk.
Een typische automotor heeft een thermische efficiëntie van minder dan 35%.Dit aantal lijkt om twee belangrijke redenen laag.Allereerst is er een theoretische bovengrens voor de thermische efficiëntie van elke warmtemotor die te maken heeft met de systeemtemperatuur versus de omgevingstemperatuur.Hoe hoger het temperatuurverschil, hoe hoger de maximale thermische efficiëntie een ideale, wrijvingsloze motor kan bereiken.Dit wordt de carnot -efficiëntie genoemd.
De tweede reden waarom automotoren een schijnbaar lage efficiëntie hebben, is dat motoren niet op een ideale manier kunnen worden gemaakt.Wrijving tussen bewegende delen heeft voortdurend de neiging om de motor te vertragen.Sommige warmte ontsnapt uit de verbrandingskamer en wordt nutteloos voor de motor.Brandstof verbrandt niet altijd bij de hoogste bereikte temperatuur, waardoor de hoeveelheid vrijgegeven warmte wordt verminderd.Om deze redenen is de thermische efficiëntie in real-world apparaten meestal ver onder 100%.