Co je to tepelná účinnost?

Tepelná účinnost je míra výstupní energie dělená vstupní energií v systému. Musí být mezi 0% a 100%. Tepelná účinnost 100% by znamenala, že veškerá energie vložená do systému vychází, i když v jiné formě. Tepelné motory i chladničky mají spojené tepelné účinnosti, i když se snaží dosáhnout opačných cílů. Skutečná tepelná účinnost obecně z mnoha důvodů výrazně klesne pod 100%.

V benzínovém motoru je vstupní energie uložena v chemických vazbách uhlovodíkového paliva. Uhlovodíková molekula sestává výhradně z vodíku a uhlíku. Když jsou tyto molekuly kombinovány s kyslíkem, mohou chemicky reagovat a vytvářet oxid uhelnatý a vodu; v podstatě je uhlovodíková molekula rozdělena a kombinována s atomy kyslíku. Součástí této reakce, která je užitečná pro motor, je však teplo, které se uvolňuje. Teplo uvolňované ze spalování benzinu je relevantní vstupní energií v tepelné účinnosti.

Výstupní energie při výpočtu tepelné účinnosti motoru není teplo, ale mechanická práce. Ve fyzice je práce množství energie přenesené silou působící na dálku. Zatlačení krabice přes koberec v určité vzdálenosti vyžaduje konečnou práci; to se rovná součinu posunuté vzdálenosti a vynaložené průměrné síly. Stejně tak benzínový motor funguje, když pohybuje koly automobilu.

V případě ledničky nebo klimatizace je vztah tepelné práce obrácený. Požadovaným výsledkem v této situaci je odvádění tepla ze systému a jeho odvádění do vnějšího prostředí. Dostupným vstupem je proto mechanická práce, která je často zajišťována elektricky poháněným kompresorem. Výpočet tepelné účinnosti však stále vyžaduje dělení výstupní energie vstupní energií. Rozdíl od benzínového motoru je samozřejmě v tom, že výstupem je teplo a vstup je funkční.

Typický automobilový motor má tepelnou účinnost menší než 35%. Toto číslo se zdá nízké ze dvou důležitých důvodů. Především existuje teoretická horní hranice tepelné účinnosti jakéhokoli tepelného motoru, který má co do činění s teplotou systému versus teplotou prostředí. Čím vyšší je teplotní rozdíl, tím vyšší je maximální tepelná účinnost, kterou může ideální motor bez tření dosáhnout. Tomu se říká Carnotova účinnost.

Druhým důvodem, proč mají motory automobilů zjevně nízkou účinnost, je to, že motory nelze chovat tak, aby se chovaly ideálně. Tření mezi pohyblivými částmi má tendenci zpomalovat motor. Některé teplo uniká ze spalovací komory a stává se zbytečným pro motor. Palivo ne vždy hoří při nejvyšší dosažené teplotě, což snižuje množství uvolňovaného tepla. Z těchto důvodů bývá tepelná účinnost zařízení v reálném světě výrazně pod 100%.