Was ist der thermische Wirkungsgrad?
Der thermische Wirkungsgrad ist ein Maß für die Ausgangsenergie geteilt durch die Eingangsenergie in einem System. Sie muss zwischen 0% und 100% liegen. Ein thermischer Wirkungsgrad von 100% würde bedeuten, dass die gesamte in ein System eingebrachte Energie in einer anderen Form abgegeben wird. Wärmekraftmaschinen und Kühlschränke weisen beide damit verbundene thermische Wirkungsgrade auf, obwohl sie versuchen, entgegengesetzte Ziele zu erreichen. Die tatsächlichen thermischen Wirkungsgrade liegen aus verschiedenen Gründen im Allgemeinen deutlich unter 100%.
In einem Benzinmotor wird Eingangsenergie in den chemischen Bindungen eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs gespeichert. Ein Kohlenwasserstoffmolekül besteht ausschließlich aus Wasserstoff und Kohlenstoff. Wenn diese Moleküle mit Sauerstoff kombiniert werden, können sie chemisch reagieren und Kohlenmonoxid und Wasser bilden; Im Wesentlichen wird das Kohlenwasserstoffmolekül gespalten und mit Sauerstoffatomen kombiniert. Der Teil dieser Reaktion, der für einen Motor nützlich ist, ist die Wärme, die freigesetzt wird. Bei der Verbrennung von Benzin freiwerdende Wärme ist die relevante Eingangsenergie für den thermischen Wirkungsgrad.
Die Ausgangsenergie bei der Berechnung des thermischen Wirkungsgrades eines Motors ist keine Wärme, sondern mechanische Arbeit. In der Physik ist Arbeit die Energiemenge, die von einer über eine Distanz wirkenden Kraft übertragen wird. Um eine Schachtel über einen bestimmten Abstand über einen Teppich zu schieben, ist ein endlicher Arbeitsaufwand erforderlich. Dies entspricht dem Produkt aus der zurückgelegten Strecke und der durchschnittlich ausgeübten Kraft. Ebenso funktioniert ein Benzinmotor, wenn er die Räder eines Autos bewegt.
Im Falle eines Kühlschranks oder einer Klimaanlage ist das Wärmearbeitsverhältnis umgekehrt. In diesem Fall besteht das gewünschte Ergebnis darin, einem System Wärme zu entziehen und an die Außenumgebung abzuleiten. Die verfügbare Eingabe ist daher mechanische Arbeit, die oft von einem elektrisch angetriebenen Kompressor geliefert wird. Die Berechnung des thermischen Wirkungsgrades erfordert jedoch immer noch die Division der Ausgangsenergie durch die Eingangsenergie. Der Unterschied zu einem Benzinmotor besteht natürlich darin, dass die Leistung Wärme und die Leistung Arbeit ist.
Ein typischer Kraftfahrzeugmotor hat einen thermischen Wirkungsgrad von weniger als 35%. Diese Zahl scheint aus zwei wichtigen Gründen niedrig zu sein. Zunächst gibt es eine theoretische Obergrenze für den Wärmewirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, die mit der Systemtemperatur im Verhältnis zur Umgebungstemperatur zu tun hat. Je höher der Temperaturunterschied ist, desto höher ist der maximale thermische Wirkungsgrad, den ein idealer, reibungsloser Motor erzielen kann. Dies nennt man die Carnot-Effizienz.
Der zweite Grund, warum Automotoren einen scheinbar niedrigen Wirkungsgrad haben, besteht darin, dass Motoren nicht dazu gebracht werden können, sich auf ideale Weise zu verhalten. Reibung zwischen beweglichen Teilen verlangsamt den Motor ständig. Ein Teil der Wärme entweicht aus dem Brennraum und wird für den Motor unbrauchbar. Brennstoff verbrennt nicht immer bei der höchsten erreichten Temperatur, was die freigesetzte Wärmemenge verringert. Aus diesen Gründen liegt der thermische Wirkungsgrad in realen Geräten in der Regel weit unter 100%.