Che cos'è l'efficienza termica?
L'efficienza termica è una misura dell'energia di uscita divisa per l'energia di ingresso in un sistema. Deve essere compreso tra 0% e 100%. Un'efficienza termica del 100% significherebbe che tutta l'energia immessa in un sistema viene rilasciata, sebbene in una forma diversa. I motori termici e i frigoriferi hanno entrambi efficienze termiche associate, anche se stanno cercando di raggiungere obiettivi opposti. Le efficienze termiche del mondo reale generalmente scendono significativamente al di sotto del 100% a causa di una serie di ragioni.
In un motore a benzina, l'energia in ingresso è immagazzinata nei legami chimici di un combustibile idrocarburico. Una molecola di idrocarburi è costituita interamente da idrogeno e carbonio. Quando queste molecole sono combinate con l'ossigeno, possono reagire chimicamente e formare monossido di carbonio e acqua; in sostanza, la molecola di idrocarburo viene suddivisa e combinata con atomi di ossigeno. La parte di questa reazione che è utile a un motore, tuttavia, è il calore che viene rilasciato. Il calore rilasciato dalla combustione della benzina è l'energia di input rilevante nell'efficienza termica.
L'energia di uscita nel calcolo dell'efficienza termica di un motore non è il calore, ma il lavoro meccanico. In fisica, il lavoro è la quantità di energia trasferita da una forza che agisce a distanza. Spingere una scatola sul tappeto per una certa distanza richiede una quantità finita di lavoro; questo è uguale al prodotto della distanza percorsa e alla forza media esercitata. Allo stesso modo, un motore a benzina funziona quando muove le ruote di un'auto.
Nel caso di un frigorifero o di un condizionatore d'aria, il rapporto lavoro termico è invertito. Il risultato desiderato in questa situazione è rimuovere il calore da un sistema e scaricarlo nell'ambiente esterno. L'ingresso disponibile, quindi, è un lavoro meccanico, che viene spesso fornito da un compressore ad alimentazione elettrica. Il calcolo dell'efficienza termica, tuttavia, richiede ancora di dividere l'energia in uscita per l'energia in ingresso. La differenza rispetto a un motore a benzina, ovviamente, è che l'uscita è calore e l'ingresso è lavoro.
Un tipico motore automobilistico ha un'efficienza termica inferiore al 35%. Questo numero sembra basso per due motivi importanti. Innanzitutto, esiste un limite teorico superiore all'efficienza termica di qualsiasi motore termico che ha a che fare con la temperatura del sistema rispetto alla temperatura dell'ambiente. Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è la massima efficienza termica che può raggiungere un motore ideale senza attrito. Questa è chiamata efficienza di Carnot.
Il secondo motivo per cui i motori delle auto hanno un'efficienza apparentemente bassa è che i motori non possono comportarsi in modo ideale. L'attrito tra le parti mobili tende costantemente a rallentare il motore. Parte del calore fuoriesce dalla camera di combustione e diventa inutile per il motore. Il carburante non brucia sempre alla massima temperatura raggiunta, riducendo la quantità di calore rilasciato. Per questi motivi, l'efficienza termica nei dispositivi del mondo reale tende ad essere molto inferiore al 100%.