Qu'est-ce que l'efficacité thermique?
L'efficacité thermique est une mesure de l'énergie de sortie divisée par l'énergie d'entrée dans un système. Il doit être compris entre 0% et 100%. Une efficacité thermique de 100% signifierait que toute l'énergie mise dans un système sortira, bien que sous une forme différente. Les moteurs thermiques et les réfrigérateurs ont tous deux une efficacité thermique associée, bien qu'ils essaient d'atteindre des objectifs opposés. Les rendements thermiques dans le monde réel sont généralement nettement inférieurs à 100% pour diverses raisons.
Dans un moteur à essence, l’énergie d’entrée est stockée dans les liaisons chimiques d’un carburant à base d’hydrocarbures. Une molécule d'hydrocarbure est entièrement constituée d'hydrogène et de carbone. Lorsque ces molécules sont combinées avec de l'oxygène, elles peuvent réagir chimiquement et former du monoxyde de carbone et de l'eau. en substance, la molécule d'hydrocarbure est scindée et combinée à des atomes d'oxygène. La partie de cette réaction qui est utile à un moteur, cependant, est la chaleur qui est libérée. La chaleur dégagée par la combustion d'essence est l'énergie d'entrée pertinente pour l'efficacité thermique.
L'énergie de sortie dans le calcul de l'efficacité thermique d'un moteur n'est pas de la chaleur, mais du travail mécanique. En physique, le travail est la quantité d'énergie transférée par une force agissant sur une distance. Pousser une boîte sur un tapis sur une certaine distance nécessite une quantité de travail finie; ceci est égal au produit de la distance parcourue et de la force moyenne exercée. De la même manière, un moteur à essence fonctionne lorsqu'il déplace les roues d'une voiture.
Dans le cas d'un réfrigérateur ou d'un climatiseur, la relation chaleur-travail est inversée. Le résultat souhaité dans cette situation est d’évacuer la chaleur d’un système et de la rejeter dans l’environnement extérieur. Par conséquent, l’entrée disponible est un travail mécanique, qui est souvent fourni par un compresseur à moteur électrique. Toutefois, le calcul de l'efficacité thermique nécessite toujours de diviser l'énergie de sortie par l'énergie d'entrée. Bien entendu, la différence avec un moteur à essence est que le rendement est la chaleur et le facteur de production est le travail.
Un moteur d’automobile typique a un rendement thermique inférieur à 35%. Ce nombre semble faible pour deux raisons importantes. Tout d’abord, il existe une limite supérieure théorique au rendement thermique de tout moteur thermique, qui est liée à la température du système par rapport à la température ambiante. Plus la différence de température est élevée, plus l'efficacité thermique maximale qu'un moteur idéal sans frottement peut atteindre est élevée. C'est ce qu'on appelle l'efficacité Carnot.
La deuxième raison pour laquelle les moteurs de voiture ont un rendement apparemment faible est que les moteurs ne peuvent pas se comporter de manière idéale. La friction entre les pièces en mouvement tend constamment à ralentir le moteur. Une partie de la chaleur s'échappe de la chambre de combustion et devient inutile pour le moteur. Le carburant ne brûle pas toujours à la température la plus élevée atteinte, ce qui réduit la quantité de chaleur dégagée. Pour ces raisons, l'efficacité thermique dans les appareils réels a tendance à être bien inférieure à 100%.